化工原理实验：传热实验

作者：天下2003 | 发布时间：2020-12-20 19:21:05 收藏本文下载本文

化工传热综合实验一、实验装置的基本功能和特点本实验装置是以空气和水蒸汽为介质，对流换热的简单套管换热器和强化内管的套管换热器。通过对本换热器的实验研究，可以掌握对流传热系数 α i 的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。并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。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。

实验装置的主要特点如下：

1.实验操作方便,安全可靠。

2.数据稳定,强化效果明显，用图解法求得的回归式与经验公式很接近。

3.水,电的耗用小,实验费用低。

4.传热管路采用管道法兰联接,不但密封性能好,•而且拆装也很方便。

5.箱式结构，外观整洁，移动方便。

二、强化套管换热器实验简介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mB Nu Re 的经验公式，其中 B 和 m 的值因螺旋丝尺寸不同而不同。

采用实验 3-1 中的实验方法确定不同流量下得 Rei 与iNu，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：0Nu Nu，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0Nu Nu＞1，而且它的值越大，强化效果越好。

三、设备主要技术数据 1.传热管参数: 表 1 实验装置结构参数实验内管内径 d i（mm）20.00 实验内管外径 d o（mm）22.0 实验外管内径 D i（mm）50 实验外管外径 D o（mm）57.0 测量段（紫铜内管）长度 l（m）1.00 强化内管内插物丝径 h（mm）1 图 1 螺旋线圈内部结构

（螺旋线圈）尺寸节距 H（mm）40 加热釜操作电压 ≤200 伏操作电流 ≤10 安 2.空气流量计(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。

5.00)(696.22 P V t    ………………………………………………………………[1] 其中，0 tV-20℃ 下的体积流量，m3 /h ； P -孔板两端压差，Kpa 1t-空气入口温度（及流量计处温度）下密度，kg/m 3。

(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: 0 2732730ttV Vt  …………………………………………………………[2] 其中，V-实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m3 /h； t-换热器管内平均温度，℃； t 1-传热内管空气进口（即流量计处）温度，℃。

3.温度测量(1)空气入传热管测量段前的温度 t 1(℃)由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。

(2)空气出传热管测量段时的温度 t 2(℃)由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。

(3)管外壁面平均温度 tw(℃)由铜—康铜热电偶温度计测量，再由补偿式数字显示仪表直接读出。

4.电加热釜是产生水蒸汽的装置,使用体积为 7 升,•内装有一支 2.5kw 的螺旋形电热器,当水温为30℃时,用 160 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─2 型,由无锡市仪表二厂生产,电机功率约 0.75 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 t 2(℃)可基本稳定。

四、实验设备流程图: 见附图所示。

五、实验方法及步骤 1.实验前的准备,检查工作.(1)向电加热釜内加水，液位计到端线处以上为易。

(2)检查空气流量旁路调节阀是否全开。

(3)检查水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.人工实验操作(1).合上电源总开关。

(2).打开加热电源开关,设定加热电压(不得大于 200V),直至有水蒸气冒出,在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气。

(3).启动风机并用放空阀来调节空气量,在一定的流量下稳定 3—5 分钟后分别测量空气的流量,空气进,处口的温度，由温度数字仪表显示（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）,换热器内管壁面的温度由数字仪表显示仪（上端红色-光滑管壁面热电势；下端绿色-粗糙管壁面热电势）。然后,在改变流量稳定后分别测量空气的流量,空气进,处口的温度, 壁面温度后继续实验。

(4).实验结束后,依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。

计算机数据采集：

(1).启动计算机并按照操作说明进行操作.(2).合上电源总开关, 打开加热电源开关,设定加热电压(电压设定见附录不得小于200V),直至有水蒸气冒出,在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气。

(3).计算机数据采集实验(a).用放空阀来调节流量,待操作稳定后计算机分别对空气流量,空气进出口温度,水蒸气进出口温度进行采集.(b).在改变流量稳定后分别测量空气的流量,空气进,处口的温度,换热器水蒸气温度.继续进行实验.(c).计算机对所有的实验数据进行计算和整理,得出实验结果,并通过显示器和打印机显示或打印出来.(d).通过显示器和打印机显示或打印出实验结果.五．注意事项：

(1).实验前将加热器内的水加到指定的位置,防止电热器干烧损坏电器。

(2).刚刚开始加热时,加热电压在(160V)左右。

（3）计算机数据采集和过程控制实验时应严格按照计算机使用规程操作计算机.采集数据和控制实验时要注意观察实验现象。

(4).测量管后有蒸汽排出 10 分钟,可启动鼓风机,保证实验开始时空气入口温度t 1(℃)比较稳定。

五.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。

4.电源线的相线,中线不能接错,实验架一定要接地。

5.数字电压表及温度、压差的数字显示仪表的信号输入端不能"开路"。

六.附录 1.实验数据的计算过程简介(以普通管第一列数据为例)。

孔板流量计压差 P  =0.98Kpa、进口温度 t 1 =24.9℃、出口温度 t 2 =66.4℃ 壁面温度100.6 ℃。

已知数据及有关常数:(1)传热管内径 d i(mm)及流通断面积 F(m2).di ＝20.0(ｍｍ),＝0.0200(ｍ);F ＝ π(d i2)／4＝3.142×(0.0200)2 ／4＝0.0003142(m 2).(2)传热管有效长度 L(ｍ)及传热面积 s i(m2).L＝1.00（ｍ)s i ＝ πL d i ＝3.142×1.00×0.0200＝0.06284(m2).(3)t 1(℃)为孔板处空气的温度, 为由此值查得空气的平均密度1t，例如：

t 1 =24.9℃，查得1 t=1.18 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 t(℃)为简化计算,取 t 值为空气进口温度 t 1(℃)及出

口温度 t 2(℃)的平均值, 即24.66 9.2422 1t tt =45.65（℃）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(s Pa );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 ＝0.671 0.4 ＝0.852(5)空气流过测量段上平均体积 V（m3 /h）的计算:)/(89.17)98.0(696.22)(696.223 50.0 50.00h m P V t       45.1920 27365.45 27389.1727327310  ttV Vt（m3 /h）(6)冷热流体间的平均温度差 Δtm(℃)的计算: Tw= =100.6(℃)   95.54 65.45 6.10022 1    t tT tw m（℃）(7)其余计算: 传热速率(W) 2503600)9.24 4.66(1005 11.1 45.193600      t Cp VQtt（W）  73)06284.0 95.54 /(250 /      i m is t Q （W/m2 ·℃）传热准数 52 0279.0 / 0200.0 73 /       i id Nu 测量段上空气的平均流速   20.17)3600 0003142.0 /(45.19 3600 /      F V u（m/s）雷诺准数 0000194.0 / 11.1 20.17 0200.0 / Re        u d i =19706（8）作图、回归得到准数关联式4.0Pr Re m A Nu  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mB Nu Re 中的系数。4 0Pr81 0Re 025 0...Nu  2．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、冷凝液回流口附图：空气-水蒸气传热综合实验装置流程图

数数据整理表（1））装置编号：

1-普通管第第 1 1 套实验日期：

05，10，16 No.1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 流量（Kpa)0.98 1.58 2.21 2.83 3.41 3.98 4.57 T1(℃）24.9 26.00 27.50 29.00 31.50 33.00 35.8 ρT1(Kg/m^3)1.18 1.18 1.17 1.17 1.16 1.15 1.14 T2(℃）66.4 65.6 65.5 65.8 67.1 67.4 68.4 Tw(℃）100.6 100.6 100.6 100.6 100.6 100.6 100.6 at(℃）45.65 45.80 46.50 47.40 49.30 50.20 52.10 ρat(kg/m^3)1.11 1.11 1.11 1.10 1.10 1.09 1.09 λat*100 2.79 2.79 2.79 2.80 2.82 2.82 2.84 Cp at 1005 1005 1005 1005 1005 1005 1006 μat*10000 1.94 1.94 1.94 1.95 1.95 1.96 1.97 dt(℃）41.50 39.60 38.00 36.80 35.60 34.40 32.60 dat(℃）54.95 54.80 54.10 53.20 51.30 50.40 48.50 Vt1(m^3/h)17.89 24.06 29.62 34.53 38.77 42.67 46.49 V(m^3/h)19.45 26.17 32.30 37.76 42.64 47.07 51.58 u(m/s)17.20 23.14 28.56 33.39 37.70 41.61 45.61 qc(W)250 321 379 428 465 495 511（W/m2·℃）73 94 113 129 146 158 169 Re 19706 26492 32570 37890 42345 46507 50441 Nu 52 68 81 92 104 112 119 Nu/(Pr^0.4)61 78 93 107 120 129 138 数数据整理表（2））装置编号：

1-强化管第第 1 1 套实验日期：

05,10,16 No.1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 流量（Kpa)0.62 1.11 1.63 2.22 2.63 3.13 3.17 T1(℃）26.5 27.00 28.40 32.00 34.90 39.10 43 ρT1(Kg/m^3)1.17 1.17 1.17 1.16 1.15 1.13 1.12 T2(℃）81.5 78.8 78 77.9 78.6 79.5 80.9 Tw(mv)4.23 4.23 4.23 4.23 4.23 4.23 4.23 Tw(℃）100.4 100.4 100.4 100.4 100.4 100.4 100.4 at(℃）54.00 52.90 53.20 54.95 56.75 59.30 61.95 ρat(kg/m^3)1.08 1.09 1.08 1.08 1.07 1.06 1.05 λat*100 2.85 2.84 2.85 2.86 2.87 2.89 2.91 Cp at 1005 1005 1005 1005 1005 1005 1005 μat*10000 1.98 1.97 1.97 1.98 1.99 2.00 2.01 dt(℃）55.00 51.80 49.60 45.90 43.70 40.40 37.90 dat(℃）46.40 47.50 47.20 45.45 43.65 41.10 38.45 Vt1(m^3/h)13.46 19.33 24.53 29.72 33.01 36.78 37.07 iii

V(m^3/h)15.02 21.50 27.31 33.26 37.15 41.71 42.38 u(m/s)13.28 19.01 24.15 29.41 32.85 36.88 37.47 qc(W)243 328 397 440 462 470 439（W/m2·℃）84 111 135 156 170 184 183 Re 14540 20928 26547 32022 35418 39210 39258 Nu 59 78 95 109 118 127 126 Nu/(Pr^0.4)68 90 110 126 137 147 146 第1套传热计算机实验准数关联图y = 0.0097x 0.8831y = 0.0418x 0.***00 100000ReNu/Pr^0.4普通管强化管 i