1、18实验 传热系数的测定实验一、实验目的 测定流体在套管换热器内作强制湍流时的对流传热系数 。i 并将实验数据整理成准数关联式 Nu=ARemPr0.4 形式，确定关联式中常数 A、m 的值。 了解强化传热的基本理论和采取的方式。二、实验原理 实验 2-1 普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定 对流传热系数 的测定i根据牛顿冷却定律（4-1）imiStQ式中： 管内流体对流传热系数，W/(m 2)；iQi管内传热速率，W；Si管内换热面积，m 2；冷热流体间的平均温度差，。t（4-2）21iiwmtTt式中：t i1，t i2冷流体的入口、出口温度，； w壁面平均温度，；因为换热器内管为
2、紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用 tw 来表示，由于管外使用蒸汽，近似等于热流体的平均温度。管内换热面积：（4-3）iiLdS式中：d i内管管内径，m；Li传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式：（4-4）)(12iipii tcWQ其中质量流量由下式求得： 19（4-5）360iiVW式中：V i冷流体在套管内的平均体积流量， m3 / h；cpi冷流体的定压比热，kJ / (kg) ；i冷流体的密度，kg /m 3。cpi 和 i 可根据定性温度 tm 查得， 为冷流体进出口平均温度。t i1，t i2， tw， 21iitVi 可
3、采取一定的测量手段得到。 对流传热系数准数关联式的实验确定流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为. （4-6） nimiiANuPrRe其中： ， ， iidNuiideipic物性数据 i、c pi、 i、 i 可根据定性温度 tm 查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数 Pri 变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：（4-7）4.0PrReiiiANu这样通过实验确定不同流量下的 Rei 与 ，然后用线性回归方法确定 A 和 m 的值。i三、实验装置 实验设备：如图 2-2 所示，实验装置的主体是两根平行的套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两
4、端用不锈钢法兰固定。实验的蒸汽发生釜为电加热釜，内有 2 根 2.5kW 螺旋形电加热器，用 200 伏电压加热（可由固态调压器调节） 。蒸汽上升管路，使用三通和球阀分别控制蒸汽进入两个套管换热器。空气由 XGB-2 型旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器。管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，由另一端蒸汽出口自然喷出，达到逆流换热的效果。 实验的测量手段 空气流量的测量空气主管路由孔板与差压变送器和二次仪表组成空气流量计，孔板流量计为标准设计，其流量计算式为：（4-8）008.23ttPV20图 4-1 对流传热系数
5、测定实验装置流程图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；旋涡气泵；5旁路调节阀；6孔板流量计；7强化管入口温度计；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强化管出口温度计；15紫铜管；16加水口；17放水口；18液位计；19热点偶温度测量实验测试点接口；20普通管入口温度计；21普通管出口温度计式中： 孔板流量计两端压差，KPa ；Pt0流量计处温度（本实验装置为空气入口温度） ，；0t0 时的空气密度，kg/m 3。由于被测管段内温度的变化，还需对体积流量进行进一步的校正：（4-9）0270tVmti 温度的测量实验采用铜-康铜热
6、电偶测温，温度与热电势的关系为：T()=8.5009+21.25678E(mv) （4-10）21图 4-2 传热实验中冷流体进出口温度及壁温的测量线路图四、实验方法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) 向冰水保温瓶中加入适量的冰水,并将冷端补偿热电偶插入其中。(3) 检查空气流量旁路调节阀是否全开。(4) 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。(5) 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。(
7、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 ti1 ()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 710 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 710 组
8、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(4) 若需几天后再做实验,则应将电加热釜和冰水保温瓶中的水放干净。五、报告内容 在双对数坐标系中绘制 Re 的关系图。4.0PrNu 求出准数关联式中的 m、 A。22 测定流体在强化套管换热器的对流传热系数 ，并于普通管进行比较。i六、思考题1 强化传热的途径有哪些？2 本实验中壁面温度接近空气温度还是蒸汽温度？为什么？七、实验结果1实验数据表表 1 普通管实验记录1 2 3 4 5 6 7孔板压差（Kpa) 5.35 4.57 3.77 2.83 2.08 1.36 0.56
9、空气入口温度 t1(） 44.50 42.90 39.80 37.80 34.70 32.90 32.00 t1(Kg/m3) 1.12 1.13 1.14 1.14 1.15 1.16 1.16空气出口温度 t2(） 69.30 68.90 67.60 67.20 66.40 66.50 68.40壁面热电势 Tw(mv) 4.22 4.23 4.23 4.23 4.23 4.23 4.23壁面温度 Tw (） 98.20 98.42 98.42 98.42 98.42 98.42 98.42管内平均温度 at(） 56.90 55.90 53.70 52.50 50.55 49.70 50
10、.20 at(kg/ m3) 1.09 1.09 1.10 1.10 1.11 1.11 1.11 a100 2.87 2.87 2.85 2.84 2.83 2.82 2.82Cp at 1009. 1009. 1009. 1009. 1009. 1009. 1010. at 10000 1.99 1.98 1.97 1.97 1.96 1.96 1.96管内平均温差 t(） 24.80 26.00 27.80 29.40 31.70 33.60 36.40平均温差 t m(） 40.03 41.16 43.24 44.30 46.06 46.72 45.83空气流量 Vt1(m3/h) 5
11、1.79 47.77 43.21 37.34 31.88 25.72 16.49管内流量 V(m3/h) 53.82 49.73 45.13 39.11 33.53 27.13 17.47u(m/s) 47.58 43.97 39.90 34.58 29.64 23.99 15.45传热量 qc(W) 407 395 386 355 329 283 198 i（W/m 2） 162 153 142 127 114 97 69Re 52012 48310 44329 38645 33459 27197 17466Nu 113 107 100 90 81 68 49Nu/(Pr0.4) 130 1
12、23 115 104 93 79 56表 2 强化管实验记录1 2 3 4 5 6 7孔板压差（Kpa) 3.96 3.17 2.45 1.92 1.52 1.18空气入口温度 t1(） 38.10 37.90 35.20 32.20 30.20 28.90 t1(Kg/m3) 1.14 1.14 1.15 1.16 1.17 1.17空气出口温度 t2(） 72.80 73.50 73.30 72.80 72.60 72.60壁面热电势 Tw(mv) 4.24 4.24 4.24 4.24 4.24 4.24壁面温度 Tw (） 98.63 98.63 98.63 98.63 98.63 9
13、8.63管内平均温度 at(） 55.45 55.70 54.25 52.50 51.40 50.75 at(kg/ m3) 1.09 1.09 1.10 1.10 1.10 1.11 at100 2.86 2.86 2.85 2.84 2.83 2.83Cp at 1009 1009 1009 1009 1009 1009 at 10000 1.983 1.984 1.977 1.969 1.964 1.961管内平均温差 t(） 34.7 35.6 38.1 40.6 42.4 43.7平均温差 t m(） 40.75 40.35 41.51 42.98 43.87 44.35空气流量 V
14、t1(m3/h) 44.30 39.63 34.72 30.61 27.17 23.9023管内流量 V(m3/h) 46.77 41.90 36.86 32.65 29.07 25.63u(m/s) 44.64 39.99 35.18 31.16 27.74 24.46传热量 qc(W) 496.6 456.0 431.1 408.8 381.3 347.0 i（W/m 2） 201.51 186.90 171.75 157.29 143.71 129.40Re 47312 42325 37513 33523 30012 26547Nu 135.53 125.62 115.88 106.61 97.70 88.12Nu0 99.63 91.50 83.43 76.55 70.34 64.03Nu/Nu0 1.36 1.37 1.39 1.39 1.39 1.38Nu/(Pr0.4) 156.6 145.1 133.9 123.2 112.9 101.82 实验结果图图 4-3 准数关联图24
