传 热 综 合 实 验

一、实验目的

1.通过对本换热器的实验研究，可以掌握对流传热系数αi的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。

2.应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。

3.通过对管程内部插有螺旋线圈的空气-水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式Nu=BRem中常数B、m的值和强化比Nu/Nu0，了解强化传热的基本理论和基本方式。

二、实验原理

对于流体在圆形直管中作强制湍流时的对流传热系数的准数关联式可以表示成：

                                                     （1）

系数C与指数和则需由实验加以确定。对于气体，Pr基本上不随温度而变，可视为一常数，因此，式（1）可简化为：

                                                          （2）

    式中：                                  

    通过实验测得不同流速下孔板流量计的压差，空气的进、出口温度和换热器的壁温（因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内、外壁温度与壁面的平均温度近似相等），根据所测的数据，经过查物性数据和计算，可求出不同流量下的Nu和Re，然后用线性回归方法确定关联式中常数A、的值。

三、 设备主要技术数据

1.    传热管参数: 

表1 实验装置结构参数

(1) 由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。空气流量由公式[1]计算。

   （第1套）………………………………………………………………[1]

（第2套）………………………………………………………………[1]

其中，  

- 20℃ 下的体积流量，m3/h ；

-孔板两端压差，Kpa

-空气入口温度（及流量计处温度）下密度，kg/m3。

(m3/h)与压差之间的关系。

   (2) 要想得到实验条件下的空气流量V (m3/h)则需按下式计算:

     …………………………………………………………[2]

其中，V-实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m3/h；

      -换热器管内平均温度，℃；

      t1-传热内管空气进口（即流量计处）温度，℃。

    3.温度测量

    (1)空气进、出传热管（光滑管、粗糙管）测量段的温度由热电阻温度计测量，从多路数字显示仪表直接读出。（1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空气出口温度；3-粗糙管空气入口温度；4-粗糙管空气出口温度；5-加热器内温度）

    (2)套管换热器内管内壁面平均温度（热电偶是由铜─康铜组成）tw( ℃ )由数字式显示表得到。（上读数-光滑管壁面温度；下读数-粗糙管壁面温度）

    4.电加热釜

    是产生水蒸汽的装置,使用体积为7升(加水至液位计的上端红线),内装有一支2.5kw的螺旋形电热器,当水温为30℃时,用200伏电压加热,约25分钟后水便沸腾,为了安全和长久使用,建议最高加热(使用)电压不超过200伏(由固态调压器调节)。

    5. 气源(鼓风机)

    又称旋涡气泵, XGB─12型 ,电机功率约0.55 KW(使用三相电源),在本实验装置上,产生的最大和最小空气流量基本满足要求,使用过程中,输出空气的温度呈上升趋势。

6. 稳定时间

    是指在外管内充满饱和蒸汽,并在不凝气排出口有适量的汽(气)排出,空气流量调节好后,过15分钟,空气出口的温度t2 ( ℃ )可基本稳定。

四、实验设备流程图:

1、普通套管换热器；2、内插有螺旋线圈的强化套管换热器；3、蒸汽发生器；

4、旋涡气泵；5、旁路调节阀；6、孔板流量计；7、风机出口温度（冷流体入口温度）测试点；8、9空气支路控制阀；10、11、蒸汽支路控制阀；

12、13、蒸汽放空口；14、蒸汽上升主管路；15、加水口；16、放水口；

17、液位计；18、冷凝液回流口

空气-水蒸气传热综合实验装置流程图

五、实验方法及步骤

    1.实验前的准备,检查工作.

    (1) 向电加热釜加水至液位计上端红线处。

    (2) 检查空气流量旁路调节阀是否全开。

    (3) 检查蒸气管支路各控制阀是否已打开。保证蒸汽和空气管线的畅通。

(4) 接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。

    2. 实验开始.

    (1)一段时间后水沸腾,水蒸汽自行充入普通套管换热器外管，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，标志着实验可以开始。

    (2) 约加热十分钟后,可提前启动鼓风机,保证实验开始时空气入口温度t1(℃)比较稳定。

    (3) 调节空气流量旁路阀的开度,使压差计的读数为所需的空气流量值(当旁路阀全开时,通过传热管的空气流量为所需的最小值,全关时为最大值)。

    (4)稳定5-8分钟左右可转动各仪表选择开关读取t1,t2,E值。(注意：第1个数据点必须稳定足够的时间)

    (5) 重复(3)与(4)共做7～10个空气流量值。

    (6) 最小,最大流量值一定要做。

(7) 整个实验过程中,加热电压可以保持(调节)不变,也可随空气流量的变化作适当的调节。

3．转换支路，重复步骤2的内容，进行强化套管换热器的实验。测定7～10组实验数据。

    4． 实验结束.

    (1) 关闭加热器开关。

    (2) 过5分钟后关闭鼓风机,并将旁路阀全开。

(3) 切段总电源。

六、使用本实验设备应注意的事项

1．检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。

2．必须保证蒸汽上升管线的畅通。即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路控制阀之一必须全开。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。

3．必须保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前，两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。

七、数据记录及处理

孔板流量计压差=0.59Kpa、进口温度t1 =21.8℃、出口温度 t2 =68.6℃ 壁面温度热电势4.239mv。

     已知数据及有关常数:                  

    (1)传热管内径di (mm)及流通断面积 F(m2).

        di＝20.0(ｍｍ),＝0.0200 (ｍ);

       F＝π(di2)／4＝3.142×(0.0200)2／4＝0.0003142( m2).

    (2)传热管有效长度 L(ｍ)及传热面积si(m2).  L＝1.00（ｍ)

       si＝πL di＝3.142×1.00×0.0200＝0.06284(m2).

(3) t1 ( ℃ )为孔板处空气的温度, 为由此值查得空气的平均密度，例如：t1=29.8℃，查得=1.19 Kg/m3。

 (4)传热管测量段上空气平均物性常数的确定.

    先算出测量段上空气的定性温度(℃)为简化计算,取t值为空气进口温度t1(℃)及出口温度t2(℃)的平均值, 即=45.2（℃）

    此查得: 测量段上空气的平均密度 ρ＝1.11 (Kg/m3);

            测量段上空气的平均比热 Cp＝1005 (J／Kg·K);

            测量段上空气的平均导热系数 λ＝0.0279／ｍ·K);

            测量段上空气的平均粘度 μ＝0.0000194();

传热管测量段上空气的平均普兰特准数的0.4次方为:

                       Pr0.4＝0.6960.4＝0.865

   (5)空气流过测量段上平均体积（ m3/h）的计算:

                         （m3/h）

(6)冷热流体间的平均温度差Δtm (℃)的计算:

Tw= 1.2705＋23.518×4.23=100.8(℃)

（℃）

    (7)其余计算:

传热速率(W)    

（W） 

         （W/m2·℃）

       传热准数

测量段上空气的平均流速

（m/s）

雷诺准数 

=14400

（8）作图、回归得到准数关联式中的系数。

（9）重复（1）-（8）步，处理强化管的实验数据。作图、回归得到准数关联式中的系数。