1、.化學實驗教學中心實驗報告化學測量與計算實驗實驗名稱： 氣-汽對流傳熱綜合實驗報告 學生姓名： 學號： 院 （系）： 年級： 級 班指導教師： 研究生助教： 實驗日期： 2017.05.26 交報告日期： 2017.06.02一、實驗目的1.掌握對流傳熱系數的測定方法，加深對其概念和影響因素的理解；2.應用線性回歸分析方法，確定關聯式中常數的值；3.通過對管程內部插有螺旋線圈的空氣-水蒸氣強化套管換熱器的實驗研究，測定其強化比，了解強化傳熱的基本理論和基本方式。二、實驗原理本實驗采用套管換熱器, 以環(huán)隙內流動的飽和水蒸汽加熱管內空氣，水蒸汽和空氣間的傳熱過程由三個傳熱環(huán)節(jié)組成：水蒸汽在管外壁的

2、冷凝傳熱，管壁的熱傳導以及管內空氣對管內壁的對流傳熱。本實驗裝置采用兩組套管換熱器，即光滑套管換熱器及強化套管換熱器。（一）光滑套管換熱器傳熱系數及其準數關聯式的測定1.對流傳熱系數的測定在該實驗中，空氣走內管，蒸汽走外管。對流傳熱系數可以根據牛頓冷卻定律，用實驗測定 （1）式中，為管內流體對流傳熱系數，；為管內傳熱速率，；管內換熱面積，；為內壁面與流體間的溫差，。由右式確定： （2）式中，分別為冷流體的入口、出口溫度，；為壁面平均溫度，。應為換熱器內管為紫銅管，其導熱系數很大，且管壁很薄，故認為內壁溫度、外壁溫度和壁面溫度近似相等，用來表示。管內換熱面積： （3）式中，為內管管內徑，；為傳熱

3、管測量段的實際長度，。由熱量衡算式： （4）其中質量流量由右式求得： （5）式中，為冷流體在套管內的平均體積流量，；為冷流體的定壓比熱，；為冷流體的密度，。和可根據定性溫度查得，為冷流體進出口平均溫度?？刹扇∫欢ǖ臏y量手段得到。2.對流傳熱系數準數關系式的實驗確定流體在管內做強制湍流，被加熱狀態(tài)，準數關聯式的形式為： （6）其中， 物性數據可根據定性溫度查得。經計算可知，對于管內被加熱的空氣，普蘭特常數變化不大，可認為是常數，則關聯式的形式簡化為： （7）這樣通過實驗確定不同流量下的與，然后用線性回歸方法確定的值。（二）強化管換熱器傳熱系數、準數關聯式及強化比的測定強化傳熱又被學術界稱為第二代

4、傳熱技術，它能減小初設計的傳熱面積，以減小換熱器的體積和重量；提高現有換熱器的換熱能力；使換熱器能在較低溫差下工作；并且能夠減少換熱器的阻力以減少換熱器的動力消耗，更有效地利用能源和資金。強化傳熱的方法有多種，本實驗裝置是采用在換熱器內管插入螺旋線圈的方法來強化傳熱的。螺旋線圈的結構圖如圖1所示，螺旋線圈由直徑3mm以下的銅絲和鋼絲按一定節(jié)距繞成。將金屬螺旋線圈插入并固定在管內，即可構成一種強化傳熱管。在近壁區(qū)域，流體一面由于螺旋線圈的作用而發(fā)生旋轉，一面還周期性地受到線圈的螺旋金屬絲的擾動，因而可以使傳熱強化。由于繞制線圈的金屬絲直徑很細，流體旋流強度也較弱，所以阻力較小，有利于節(jié)省能源。螺

5、旋線圈是以線圈節(jié)距H與管內徑d的比值技術參數，且長徑比是影響傳熱效果和阻力系數的重要因素?？茖W家通過實驗研究總結了形式為的經驗公式，其中B和m的值因螺旋絲尺寸不同而不同。采用和光滑套管同樣的實驗方法確定不同流量下得，用線性回歸方法可確定B和m的值。單純研究強化手段的強化效果（不考慮阻力的影響），可以用強化比的概念作為評判準則，它的形式是：，其中是強化管的努塞爾準數，是普通管的努塞爾準數，顯然，強化比，而且它的值越大，強化效果越好。三、實驗流程設備主要技術數據1.設備主要技術數據見下表：表1 實驗裝置結構參數實驗內管內徑di（mm）20.00實驗內管外徑do（mm）22.0實驗外管內徑Di（mm

6、）50實驗外管外徑Do（mm）57.0測量段（紫銅內管）長度L（m）1.00強化內管內插物（螺旋線圈）尺寸絲徑h（mm）1節(jié)距H（mm）40加熱釜操作電壓200伏 操作電流10安2.實驗的測量手段（1）空氣流量的測量空氣流量計由孔板與差壓變送器和二次儀表組成。該孔板流量計在20時標定的流量和壓差的關系為： （8）其中，為20下的體積流量，m3/h；為孔板兩端壓差，；為空氣入口溫度（及流量計處溫度），。由于換熱器內溫度的變化，傳熱管內的體積流量需進行校正： （9） （2）溫度的測量空氣進出口溫度采用Cu50銅電阻溫度計測得，由多路巡檢表以數值形式顯示（1-普通管空氣進口溫度，2-普通管空氣出口溫

7、度；3-強化管空氣進口溫度，4-強化管空氣出口溫度）。壁溫采用熱電偶溫度計測量，光滑管的壁溫由顯示表的上排數據讀出，強化管的壁溫由顯示管的下排讀數讀出。（3）電加熱釜是產生水蒸汽的裝置,使用體積為7升(加水至液位計的上端紅線),內裝有一支2.5kw的螺旋形電熱器,當水溫為30時,用200伏電壓加熱,約25分鐘后水便沸騰,為了安全和長久使用,建議最高加熱(使用)電壓不超過200伏(由固態(tài)調壓器調節(jié))。（4）氣源(鼓風機)又稱旋渦氣泵,XGB2型,由無錫市儀表二廠生產,電機功率約0.75 KW(使用三相電源),在本實驗裝置上,產生的最大和最小空氣流量基本滿足要求,使用過程中,輸出空氣的溫度呈上升趨

8、勢。3. 實驗設備流程圖圖2 空氣-水蒸氣傳熱綜合實驗裝置流程圖1-普通套管換熱器；2-內插有螺旋線圈的強化套管換熱器；3-蒸汽發(fā)生器；4-旋渦氣泵；5-旁路調節(jié)閥；6-孔板流量計；7-風機出口溫度（冷流體入口溫度）測試點；8、9-空氣支路控制閥；10、11-蒸汽支路控制閥；12、13-蒸汽放空口；14-蒸汽上升主管路；15-加水口；16-放水口；17-液位計；18-冷凝液回流口四、實驗方法及步驟 1.實驗前的準備,檢查工作。（1）向電加熱釜加水至液位計上端紅線處。（2）向冰水保溫瓶中加入適量的冰水,并將冷端補償熱電偶插入其中。（3）檢查空氣流量旁路調節(jié)閥是否全開。（4）檢查蒸氣管支路各控制閥

9、是否已打開。保證蒸汽和空氣管線的暢通。（5）接通電源總閘，設定加熱電壓，啟動電加熱器開關，開始加熱。 2. 實驗開始。（1）關閉通向強化套管的閥門11，打開通向光滑套管的閥門10，當光滑套管換熱器的放空口12有水蒸氣冒出時，可啟動風機，此時要關閉閥門8，打開閥門9。在整個實驗過程中始終保持換熱器出口處有水蒸氣冒出。（2）啟動風機后用放空閥5來調節(jié)流量，調好某一流量后穩(wěn)定5-10分鐘后，分別測量空氣的流量，空氣進、出口的溫度及壁面溫度。然后，改變流量測量下組數據。一般從小流量到最大流量之間，要測量56組數據。（3）做完光滑套管換熱器的數據后，要進行強化管換熱器實驗。先打開蒸汽支路閥11，全部打開

10、空氣旁路閥5，關閉蒸汽支路閥10，打開空氣支路閥9,關閉空氣支路閥8，進行強化管傳熱實驗。實驗方法同步驟（2）。3.實驗結束后，依次關閉加熱電源、風機和總電源。一切復原。五、注意事項（1）檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常范圍內。特別是每個實驗結束后，進行下一實驗之前，如果發(fā)現水位過低，應及時補給水量。（2）必須保證蒸汽上升管線的暢通。即在給蒸汽加熱釜電壓之前，兩蒸汽支路閥門之一必須全開。在轉換支路時，應先開啟需要的支路閥，再關閉另一側，且開啟和關閉閥門必須緩慢，防止管線截斷或蒸汽壓力過大突然噴出。（3）必須保證空氣管線的暢通。即在接通風機電源之前，兩個空氣支路控制閥之一和旁路調節(jié)閥必須全開。在

11、轉換支路時，應先關閉風機電源，然后開啟和關閉支路閥。（4）調節(jié)流量后，應至少穩(wěn)定38分鐘后讀取實驗數據。（5）實驗中保持上升蒸汽量的穩(wěn)定，不應改變加熱電壓，且保證蒸汽放空口一直有蒸汽放出。六、實驗數據記錄與處理（一）光滑套管換熱器傳熱系數及其準數關聯式的測定1.實驗數據記錄與整理表（計算過程在下面第2步）表2 光滑管換熱器原始數據及數據整理表傳熱管內徑：0.020 m 有效長度：1.00 m 冷流體：空氣（管內） 流體：蒸汽（管外）組數1234孔板壓差0.221.202.233.20空氣入口溫度30.931.531.932.4接上表空氣入口溫度73.967.565.866.6壁面溫度99.79

12、9.799.799.7管內平均溫度52.449.548.8549.51.0851.0931.0971.0930.02850.02830.02820.028310051005100510050.00001970.00001960.00001960.0000196空氣進出口溫差433633.934.2平均溫差47.3050.2050.8550.2020時空氣流量10.6424.8633.8940.60管內平均流量11.4026.3335.7742.87平均流速10.0823.2831.6337.90傳熱量148.45289.22371.39447.3649.9491.68116.23141.811

13、1099.2625961.4835402.3042269.9935.0564.7982.43100.220.6950.6960.6990.69640.5574.9095.15115.852.實驗數據的計算過程（以第1列數據為例）孔板流量計壓差、空氣入口溫度、空氣出口溫度、壁面溫度 已知數據及有關常數: （1）傳熱管內徑及流通截面積 （2）傳熱管有效長度 及傳熱面積 管內換熱面積：（3）空氣平均物性常數的確定先算出空氣的定性溫度 在此溫度下空氣的物性數據如下：平均密度 ； 平均比熱 ； 平均導熱系數 ； 平均粘度 ； （4）空氣流過換熱器內管時的平均體積流量和平均流速的計算 在20時標定的孔板流

14、量計體積流量： 因為流量計處的溫度不是20，需進行校正，傳熱管內的體積流量 平均流速（5）壁面和冷熱流體間的平均溫度差的計算: （6）傳熱速率 （7）管內傳熱系數 （8）傳熱準數： 雷諾準數： 普蘭特常數： 其他組數據的處理方法同上，處理結果見上表2。 （9）求關聯式 中的常數項 以為縱坐標，為橫坐標，在對數坐標系上標繪關系，見圖3直線。 由圖得線性回歸方程如下：y = 0.0317x0.7667，R² = 0.9956 即（二）強化管換熱器傳熱系數、準數關聯式及強化比的測定1.實驗數據記錄與整理表（計算過程在下面第2步）表3 強化管換熱器原始數據及數據整理表傳熱管內徑：0.020

15、m 有效長度：1.00 m 冷流體：空氣（管內） 流體：蒸汽（管外）組數1234孔板壓差0.200.721.191.72空氣入口溫度37.439.141.644.1空氣入口溫度91.787.785.183.9壁面溫度99.799.799.799.7管內平均溫度64.5563.4063.3564.001.0441.0491.0491.0450.02930.02920.02920.0293接上表10071007100710070.00002030.00002020.00002020.0000203空氣進出口溫差54.348.643.539.8平均溫差35.1536.3036.3535.7020時空

16、氣流量10.1519.2624.7629.76管內平均流量11.0420.7626.4731.63平均流速9.7618.3523.4027.96傳熱量175.01295.99337.84367.9979.23129.76147.90164.0310036.1719058.3324303.1628790.5954.0888.88101.30111.970.6980.6970.6970.69862.46102.70117.06129.3132.11 52.47 63.22 72.03 1.68 1.69 1.60 1.55 2.實驗數據的計算過程 （1）重復光滑管數據計算過程中的步，并將數據結果填

17、到表3。（2）求強化套管換熱器關聯式 中的常數項 以為縱坐標，為橫坐標，在對數坐標系上標繪關系，見圖3直線。 由圖得線性回歸方程如下：y = 0.1032x0.6967，R² = 0.9938 即（3）強化比的計算將強化套管換熱器求得的數代入光滑套管換熱器所得的準數關聯式中，可以得到。如表3中第1組數據：（三）繪圖以為縱坐標，為橫坐標，在對數坐標系上標繪關系，根據表2和表3中的數據作圖3如下：七、實驗結果與誤差分析（1）實驗結果根據上述實驗數據處理可得：光滑管49.9491.68116.23141.81A0.0317m0.7667強化管79.23129.76147.90164.03A0.1032m0.6967（2）誤差分析根據上表可以看出，光滑管換熱器和強化管換熱器的對流傳熱系數有較大差別，對于兩種換熱器本身來說，改變孔板溫差，對流傳熱系數也跟著改變。由此可知，影響對流傳熱系數因素有：流體的流速，流體溫度、壓力差對應的物理性質如，以及傳熱面的形狀等。光滑管和強化管換熱器的準數關聯式中常數