化工原理、气-汽传热综合实验.doc

气-汽传热综合实验 一、实验目的 1. 掌握传热系数K的测定原理； 2. 掌握传热系数K的测定方法及数据处理。 二、实验原理 根据传热基本方程，已知传热设备的结构尺寸，只要测得传热速度，以及各有关温度，即可算出传热系数。 三、套管换热器实验简介 （一）实验装置的功能和特点 本实验装置是由光滑套管换热器和强化内管的套管换热器组成的，以空气和水蒸汽为传热介质，可以测定对流传热系数，用于教学实验和科研。通过对本换热器的实验研究，可以掌握对流传热系数的测定方法，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，测定其强化比，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： ⑴ 实验操作方便，安全可靠。 ⑵ 数据稳定可靠，强化效果明显，用图解法求得的回归式与经验公式很接近。 ⑶ 水、电的耗用小，实验费用低。 ⑷ 传热管路采用管道法兰连接,不但密封性能好,而且拆装也很方便。 ⑸ 箱式结构，外观整洁，移动方便。 （二） 光滑套管换热器传热系数及其准数关联式的测定 ⒈ 对流传热系数的测定 在该传热实验中，空气走内管，蒸气走外管。 对流传热系数可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定 （1） 式中：—管内流体对流传热系数，W/(m2?℃)； Qi—管内传热速率，W； Si—管内换热面积，m2； —内壁面与流体间的温差，℃。 由下式确定： （2） 式中：t1，t2 —冷流体的入口、出口温度，℃； tw —壁面平均温度，℃； 因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、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用tw 来表示。 管内换热面积： （3） 式中：di—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） 其中质量流量由下式求得： （5） 式中：—冷流体在套管内的平均体积流量，m3 / h； —冷流体的定压比热，kJ / (kg·℃)； —冷流体的密度，kg /m3。 和可根据定性温度tm查得，为冷流体进出口平均温度。t1，t2， tw， 可采取一定的测量手段得到。 ⒉ 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 . （6） 其中： ， ， 物性数据、、、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，普兰特准数变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为： （7） 这样通过实验确定不同流量下的与，然后用线性回归方法确定A和m的值。 （三） 强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定 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与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