实验五 水蒸气—空气对流传热综合实验

一、实验目的：

⒈ 通过对空气-水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数?i的测定方法，

m0.4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=ARePr中常数A、m的值。

⒉ 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

m准数关联式Nu=BRe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。

3. 求取简单套管换热器、强化套管换热器的总传热系数Ko。 4. 了解热电偶温度计的使用。 实验内容：

⒈ 测定5～6个不同空气流速下简单套管换热器的对流传热系数?i。 m0.4⒉ 对?i的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=ARePr中常数A、m的值。 ⒊ 测定5～6个不同空气流速下强化套管换热器的对流传热系数?i。

m⒋ 对?i的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=BRe中常数B、m的值。

⒌ 同一流量下，按实验一所得准数关联式求得Nu0，计算传热强化比Nu/Nu0。

6. 在同一流量下分别求取一次简单套管换热器、强化套管换热器的总传热系数Ko。 二、实验原理：

1．对流传热系数?i的测定

对流传热系数?i可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定 ?i?Qi （6-14）

?tmi?Si2

式中：?i—管内流体对流传热系数，W/(m?℃)； Qi—管内传热速率，W；

Si—管内换热面积：m2；

?tmi—管内流体空气与管内壁面的平均温差，℃。 平均温差由下式确定：

?tmi?tw?(ti1?ti2) （6-15） 2式中：ti1，ti2—冷流体空气的入口、出口温度，℃；

tw—壁面平均温度，℃。

因为传热管为紫铜管，其导热系数很大，而管壁又薄，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。 管内换热面积：

Si???di?Li （6-16）

式中：di—传热管内径，m；

Li—传热管测量段的实际长度，m。

由热量衡算式：

Qi其中质量流量由下式求得：

Wi??Wicpi(ti2?ti1) （6-17）

Vi?i （6-18） 36003

式中：Vi—冷流体在套管内的平均体积流量，m / h； cpi—冷流体的定压比热，kJ / (kg·℃)； ρi—冷流体的密度，kg /m。 cpi和ρi可根据定性温度tm查得，tm?3

ti1?ti2为冷流体进出口平均温度。 2⒉ 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时，处于被加热状态，准数关联式的形式为

mnNui?AReiPri. （6-19）

其中： Nui?cpi?iud??idi， Rei?iii ， Pr ?i?i?i?i 物性数据λI、 cpi、ρI、μI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：

0.4 （6-20） Nui?AReiPrim这样通过实验确定不同流量下的Rei与Nui，然后用线性回归方法确定A和m的值。

⒊ 强化比的确定

强化传热能减小传热面积，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。

强化传热的方法有多种，本实验装置是采用在

图6-3 螺旋线圈强化管内部结构

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6-3所示，螺旋线圈由直径1mm钢丝按一定节距绕成。将金属螺旋线圈插入并固定在管内，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，且节距与管内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。在本实验中，测定不

同流量下的Rei与Nui，用线性回归方法可确定B和m的值。

单纯研究强化效果（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，强化效果越好。需要说明的是，如果评判强化方式的真正效果和经济效益，则必须考虑阻力因素，只有强化比较高，且阻力系数较小的强化方式，才是最佳的强化方法。

4. 换热器总传热系数Ko的确定 实验中若忽略换热器的热损失，在定态传热过程中，空气升温获得的热量与对流传递的热量及换热器的总传热量均相等：

Qi?Wicpi(ti2?ti1)?K0So?tm (6-21)

Q (6-22)

S0?tm即以外表面为基准的总传热系数： K0?式中传热量Q已由式（6-17）得到，管外径为基准的换热面积：S0式中传热间壁两侧对数平均温度差： ?tm????d0?Li

(Ts?ti1)?(Ts?ti2) （6-23）

Ts?ti1lnTs?ti2在同一流量下分别求取一次简单套管换热器、强化套管换热器的总传热系数Ko，并比较两种套管换热器Ko值的大小。

三 实验流程及设备主要参数：

1、 实验流程：

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；19、电动旁路调节阀

2、主要设备参数：

○1传热管参数: 表1 实验装置结构参数

实验内管内径di（mm） 实验内管外径do（mm） 实验外管内径Di（mm） 实验外管外径Do（mm） 测量段（紫铜内管）长度l（m） 强化内管内插物 （螺旋线圈）尺寸 加热釜 丝径h（mm） 节距H（mm） 操作电压 操作电流 20.00 22.0 50 57.0 1.00 1 40 ≤200伏 ≤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。

Vt0?18.113?(?P)0.6203…………………………………………[1]

其中， Vt0- 20℃ 下的体积流量，m/h ；

3

?P-孔板两端压差，Kpa

?t1-空气入口温度（及流量计处温度）下密度，kg/m3。

3

(2) 要想得到实验条件下的空气流量V (m/h)则需按下式计算: