1、實驗五 傳熱綜合實驗一、實驗目的1.通過對空氣水蒸氣簡單套管換熱器的實驗研究，掌握對流傳熱系數的測定方法，加深對其概念和影響因素的理解。并應用線性回歸分析方法，確定關聯式Nu=ARemPr0.4中常數A、m的值。2.通過對管程內部插有螺旋線圈的空氣水蒸氣強化套管換熱器的實驗研究，測定其準數關聯式Nu=BRem中常數B、m的值和強化比Nu/Nu0，了解強化傳熱的基本理論和基本方式。二、實驗內容1. 測定56個不同流速下普通套管換熱器的對流傳熱系數，對的實驗數據進行線性回歸，求關聯式Nu=ARemPr0.4中常數A、m的值。2.測定56個不同流速下強化套管換熱器的對流傳熱系數，對的實驗數據進行線性

2、回歸，求關聯式Nu=BRem中常數B、m的值。3.同一流量下，按實驗1所得準數關聯式求得Nu0，計算傳熱強化比Nu/Nu0。三、實驗原理（一） 普通套管換熱器傳熱系數及其準數關聯式的測定1.對流傳熱系數的測定對流傳熱系數可以根據牛頓冷卻定律，用實驗來測定。因為 ,所以： （W/m2）式中：管內流體對流傳熱系數，W/(m2)； Qi換熱器傳熱速率，W； Si管內換熱面積，m2； 對數平均溫差，。對數平均溫差由下式確定： 式中：ti1，ti2冷流體的入口、出口溫度，； Tw壁面平均溫度，；因為換熱器內管為紫銅管，其導熱系數很大，且管壁很薄，故認為內壁溫度、外壁溫度和壁面平均溫度近似相等，用Tw 來

3、表示，管外為蒸汽冷凝，因此，將壁面平均溫度近似視為蒸汽的溫度，且保持不變。傳熱面積(內)： 式中：di傳熱管內徑，m；1 / 10 Li傳熱管測量段的實際長度，m。由熱量衡算式： 其中質量流量由下式求得： 式中：Vi冷流體在套管內的平均體積流量，m3 / h； cpi冷流體的定壓比熱，kJ / (kg)； i冷流體的密度，kg /m3。cpi和i可根據定性溫度tmi查得，為冷流體進出口平均溫度。ti1，ti2，Tw， Vi可采取一定的測量手段得到。2.對流傳熱系數準數關聯式的實驗確定空氣在管內作強制湍流，且被加熱，準數關聯式的形式為： 其中： ， ， 物性數據i、cpi、i、i可根據定性溫度t

4、mi查得。這樣通過實驗確定不同流量下的Rei與，再用線性回歸方法即可確定A和m的值。（二）、強化套管換熱器傳熱系數、準數關聯式及強化比的測定強化傳熱又被學術界稱為第二代傳熱技術，它能減小換熱器的傳熱面積，以減小換熱器的體積和重量；提高現有換熱器的換熱能力；使換熱器能在較低溫差下工作；并且能夠減少換熱器的阻力以減少換熱器的動力消耗，更有效地利用能源和資金。強化傳熱的方法有多種，本實驗裝置是采用在換熱器內管插入螺旋線圈的方法來強化傳熱的。圖5-1 螺旋線圈強化管內部結構螺旋線圈的結構圖如圖5-1所示，螺旋線圈由直徑3mm以下的銅絲和鋼絲按一定節距繞成。將金屬螺旋線圈插入并固定在管內，即可構成一種強

5、化傳熱管。在近壁區域，流體一面由于螺旋線圈的作用而發生旋轉，一面還周期性地受到線圈的螺旋金屬絲的擾動，因而可以使傳熱強化。由于繞制線圈的金屬絲直徑很細，流體旋流強度也較弱，所以阻力較小，有利于節省能源。螺旋線圈是以線圈節距h與管內徑d的比值以及管壁粗糙度為主要技術參數，長徑比H/d是影響傳熱效果和阻力系數的重要因素。科學家通過實驗研究總結了形式為的經驗公式，其中B和m的值因螺旋絲尺寸不同而不同。在本實驗中，采用普通管中的實驗方法確定不同流量下的Rei與，用線性回歸方法可確定B和m的值。研究強化手段的強化效果（不考慮阻力的影響），可以用強化比的概念作為評判準則，它的形式是：，其中Nu是強化管的努

6、塞爾準數，Nu0是普通管的努塞爾準數，顯然，強化比1，而且它的值越大，強化效果越好。需要說明的是，如果評判強化方式的真正效果和經濟效益，則必須考慮阻力因素，阻力系數隨著換熱系數的增加而增加，從而導致換熱性能的降低和能耗的增加，只有強化比較高，且阻力系數較小的強化方式，才是最佳的強化方法。四、實驗流程1.實驗流程實驗流程圖見圖52。實驗裝置的主體是兩根平行的換熱套管，空氣由旋渦氣泵吹出，由旁路調節閥調節，經孔板流量計，由支路控制閥選擇不同的支路進入不同的換熱管的內管。蒸汽由加熱釜產生后由蒸汽上升管上升，經支路控制閥選擇不同的支路進入套管殼程。裝置結構參數如表51所示。圖52 空氣-水蒸氣傳熱綜合

7、實驗裝置流程圖1.普通套管換熱器；2.內插有螺旋線圈的強化套管換熱器；3.蒸汽發生器；4.旋渦氣泵； 5.旁路調節閥； 6.孔板流量計；7.風機出口溫度（冷流體入口溫度）測試點； 8、9.空氣支路控制閥； 10、11.蒸汽支路控制閥；12、13.蒸汽放空口； 14.蒸汽上升主管路； 15.加水口； 16.放水口；17.液位計； 18.冷凝液回流口表51 實驗裝置結構參數實驗內管內徑di（mm）20.00實驗內管外徑do（mm）22.0實驗外管內徑Di（mm）50實驗外管外徑Do（mm）57.0測量段（紫銅內管）長度l（m）1.00強化內管內插物（螺旋線圈）尺寸絲徑h（mm）1節距H（mm）40

8、加熱釜操作電壓200伏 操作電流10安2.實驗測量手段 流量的測定：孔板流量計與壓力傳感器及數字顯示儀表組成空氣流量計。空氣流量由下式計算： 式中：Vt020下的體積流量； P孔板兩端壓差，KPa（即數字顯示儀表讀數）由于被測管段內溫度的變化，還需對體積流量進行進一步的校正： 式中：Vi實驗條件下（管內平均溫度）下的空氣流量，m3/h; tmi 換熱器管內平均溫度，溫度測量：a) 空氣進、出傳熱管測量段的溫度由電阻溫度計測量，可由數字顯示儀表直接讀出。b) 管外壁面平均溫度Tw( )，由數字式毫伏計測出與該溫度對應的熱電勢E(mv,熱電偶是由銅康銅組成),將E值代入公式:Tw()=1.2705

9、+23.518E(mv)計算得到。五、實驗方法及步驟1. 實驗前的準備檢查工作向蒸汽發生器中加水至液位計上端紅線處。向冰水保溫瓶中加入適量的冰水,并將冷端補償熱電偶插入其中。檢查空氣流量旁路調節閥是否全開。檢查蒸汽管支路各控制閥是否已打開，保證蒸汽和空氣管線暢通。接通電源總閘，設定加熱電壓，啟動電加熱器開關，開始加熱。2. 實驗操作A. 人工實驗操作合上電源總開關。打開加熱電源開關,設定加熱電壓(不得大于200V)，直至有水蒸氣冒出，在整個實驗過程中始終保持換熱器出口處有水蒸氣。啟動風機，用放空閥來調節流量，在一定的流量下,穩定510分鐘后分別測量空氣的流量、空氣進出口溫度、壁面溫度。改變流量

10、，待流量穩定后再分別測量空氣的流量、空氣進、出口溫度、壁面溫度后繼續實驗。實驗結束后，依次關閉加熱電源、風機和總電源。一切復原。B. 使用計算機自動控制試驗啟動計算機并按照操作說明進行操作；合上電源總開關、加熱電源開關，設定加熱電壓（不得大于200V）,直至有水蒸氣冒出，在整個實驗過程中始終保持換熱器出口處有水蒸氣；計算機數據采集a. 用放空閥調節流量，待操作穩定后，用計算機分別對空氣流量、空氣進出口溫度、換熱器水蒸氣溫度進行采集；b. 改變空氣流量，待操作穩定后，分別用計算機測量空氣流量、空氣進出口溫度、水蒸氣溫度；c.用計算機對所得實驗數據進行計算和整理，得出實驗結果，并通過顯示器顯示或打

11、印出來。六、實驗注意事項1.剛剛開始加熱時，加熱電壓可在180V左右，但不能過大；2.由于采用熱電偶測溫，所以實驗前要檢查冰桶中是否有冰水混合物共存，檢查熱電偶的冷端是否全部浸沒在冰水混合物中；3.檢查蒸汽發生器中的水位是否在正常范圍內，特別是每個實驗結束后，進行下一個實驗之前，如果發現水位過低，應及時補給水量；4.必須保證蒸汽上升管線的暢通。在給蒸汽發生器電壓之前，兩蒸汽支路控制閥之一必須全開。在轉換支路時，應先開啟需要的支路閥，再關閉另一側，且開啟和關閉控制閥要緩慢，防止管線截斷或蒸汽壓力過大突然噴出；5.必須保證空氣管線的暢通。在接通風機電源之前，兩個空氣支路控制閥之一和旁路調節閥必須全

12、開。在轉換支路時，應先關閉風機電源，然后開啟和關閉控制閥；6.調節流量后，應至少穩定510分鐘后讀取實驗數據。七、實驗數據整理1.將普通管實驗數據填入表一。并以一組數據為例寫出計算過程；2.將粗糙管實驗數據填入表二。并以一組數據為例寫出計算過程；3.以Re為橫坐標，以Nu/Pr0.4為縱坐標，將上述表中數據繪制在同一雙對數坐標圖中；4. 對實驗結果進行分析與討論。表1 普通管實驗記錄1234567傳熱管內徑di m0.0020.0020.0020.0020.0020.0020.002流通截面積A,3.143.143.143.143.143.143.14孔板壓差（Kpa)0.150.480.91

13、1.471.982.492.95空氣入口溫度ti1(）26.232.334.736.838.940.842.4空氣出口溫度ti2(）75.173.973.172.272.372.472.6壁面熱電勢E(mv)4.154.134.124.124.124.114.10表2普通管數據整理1234567壁面溫度Tw (）98.998.498.298.297.997.797.4平均溫差tm(）43.841.941.441.240.038.937.3管內平均溫度tmi(）50.653.153.954.555.656.657.5 (kg/ m3)1.0911.0831.0861.0781.0751.0711

14、.068Cp1.0051.0051.0051.0051.0051.0051.005Pr0.6980.6970.6970.6970.6970.6970.696*1002.8302.8472.8542.8582.8462.8722.878*1000001.961.971.981.981.991.992.00流通截面積A，*10-43.143.143.143.143.143.143.14管內流量Vi(m3/h)6.1712.7919.0625.7131.0335.8839.97空氣流速u(m/s)5.4611.3116.8622.7427.4531.7435.36管內傳熱面積Si *10-26.28

15、6.286.286.286.286.286.28傳熱量Q(W)0.0920.1610.2220.2740.3110.3390.36i（W/m2）0.0330.0660.0850.1060.1240.1390.151Re6078.412435.318494.924761.32965734164.437764.5Nu0.0230.0460.0590.0740.0860.0970.105Nu/(Pr0.4)0.0260.0530.0680.0850.0990.1120.121表3 強化管實驗記錄及數據整理1234567傳熱管內徑di,m0.0020.0020.0020.0020.0020.0020.

16、002孔板壓差（Kpa)0.150.480.911.471.982.492.88空氣入口溫度ti1(）78.275.074.272.773.073.774.4空氣出口溫度ti2(）78.275.074.272.773.073.774.4壁面熱電勢E(mv)4.144.144.134.134.134.134.13表4 強化管數據整理1234567管內傳熱面積Si,*10-26.286.286.286.286.286.286.28管內平均溫度tmi(）54.6553.6554.1554.5555.9557.4558.75 (kg/ m3)1.0781.0811.0791.0781.0731.068

17、1.063Cp1.0051.0051.0051.0051.0051.0051.005Pr0.6970.6970.6970.6970.6970.6960.696*1002.8582.8512.8542.8572.8682.8782.885*1000001.9821.9871.9801.9821.9901.9982.002壁面溫度Tw (）98.698.698.498.498.498.498.4平均溫差tm(）41.841.341.041.340.138.737.5管內流量Vi(m3/h)6.2412.8119.0725.7131.0635.9739.53流通截面積A,*10-43.143.143.143.143.143.143.14空氣流速u(m/s)5.5211.316.7822.7427.4831.8234.97傳熱量Q(W)0.0880.1650.2300.2810.3170.3480.367i（W/m2）0.0340.0640.0890.1080.1260.1430.156Re6004.612383.918386.624736.329634.234017.837135.9Nu0.0240.0480.0620.0760.0880.0990.108Nu/Nu01.0431.0431.0511.0271.0231.0211.029lnN