实验四 气-汽对流传热综合实验报告

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1、化学实验教学中心实验报告化学测量与计算实验Ⅱ实验名称：气-汽对流传热综合实验报告学生姓名：学号：院（系）：年级：级班指导教师：研究生助教：实验日期：2017.05.26交报告日期：2017.06.029一、实验目的1.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，测定其强化比NuNu0，了解强化传热的基本理论和基本方式。二、实验原理本实验采用套管换热器,以环隙内流动的饱和水蒸汽加热管内空气

2、，水蒸汽和空气间的传热过程由三个传热环节组成：水蒸汽在管外壁的冷凝传热，管壁的热传导以及管内空气对管内壁的对流传热。本实验装置采用两组套管换热器，即光滑套管换热器及强化套管换热器。（一）光滑套管换热器传热系数及其准数关联式的测定1.对流传热系数αi的测定在该实验中，空气走内管，蒸汽走外管。对流传热系数αi可以根据牛顿冷却定律，用实验测定αi=Qi∆tm×Si（1）式中，αi为管内流体对流传热系数，W(m2∙℃)；Qi为管内传热速率，W；Si管内换热面积，m2；∆tm为内壁面与流体间的温差，℃。∆tm由右式确定：∆tm=tw-t1+t22（2）式中，t

3、1和t2分别为冷流体的入口、出口温度，℃；tw为壁面平均温度，℃。应为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面温度近似相等，用tw来表示。管内换热面积：Si=πdiLi（3）式中，di为内管管内径，m；Li为传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式：Qi=WmCpm(t2-t1)（4）其中质量流量由右式求得：Wm=Vmρm3600（5）式中，Vm为冷流体在套管内的平均体积流量，m3h；Cpm为冷流体的定压比热，kJkg∙℃；ρm为冷流体的密度，kgm3。Cpm和ρm可根据定性温度tm查得，tm=t1+t22为冷流

4、体进出口平均温度。t1、t2、tw、Vm可采取一定的测量手段得到。2.对流传热系数准数关系式的实验确定流体在管内做强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为：Nu=ARemPrn（6）其中，Nu=αidiλi，Re=umdiρmμm，Pr=Cpmμmλm物性数据λm、Cpm、ρm、μm可根据定性温度tm查得。经计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特常数Pr变化不大，可认为是常数，则关联式的形式简化为：Nu=ARemPr0.4（7）这样通过实验确定不同流量下的Re与Pr，然后用线性回归方法确定A、m的值。9（二）强化管换热器传热系数、准数关联式及强化比的

5、测定强化传热又被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。强化传热的方法有多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热的。螺旋线圈的结构图如图1所示，螺旋线圈由直径3mm以下的铜丝和钢丝按一定节距绕成。将金属螺旋线圈插入并固定在管内，即可构成一种强化传热管。在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，一面还周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以使传热强化。由于绕

6、制线圈的金属丝直径很细，流体旋流强度也较弱，所以阻力较小，有利于节省能源。螺旋线圈是以线圈节距H与管内径d的比值技术参数，且长径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。科学家通过实验研究总结了形式为Nu=BRem的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。采用和光滑套管同样的实验方法确定不同流量下得Rei和Nu，用线性回归方法可确定B和m的值。单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，它的形式是：NuNu0，其中Nu是强化管的努塞尔准数，Nu0是普通管的努塞尔准数，显然，强化比NuNu0>1，而且它的值越大，

7、强化效果越好。三、实验流程设备主要技术数据1.设备主要技术数据见下表：表1实验装置结构参数实验内管内径di（mm）20.00实验内管外径do（mm）22.0实验外管内径Di（mm）50实验外管外径Do（mm）57.0测量段（紫铜内管）长度L（m）1.00强化内管内插物（螺旋线圈）尺寸丝径h（mm）1节距H（mm）40加热釜操作电压≤200伏操作电流≤10安2.实验的测量手段（1）空气流量的测量空气流量计由孔板与差压变送器和二次仪表组成。该孔板流量计在20℃时标定的流量和压差的关系为：（8）其中，为20℃下的体积流量，m3/h；∆P为孔板两端压差，Kp

8、a；t1为空气入口温度（及流量计9处温度），℃。由于换热器内温度的变化，传热管内的体积流量需进行校正：Vm=