传热综合计算机数据采集和过程控制实验.doc

对流传热实验装置说明书 天津大学化工基础实验中心 2013.06 一、实验目的： 1.通过对空气—水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。 2.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， 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。 3.学会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。 4.由实验数据及关联式Nu=ARemPr0.4计算出Nu、Nu0，求出强化比Nu/Nu0，加深理解强化传热的基本理论和基本方式。 5．可通过计算机程序运行完成整个实验的调节控制，了解电动调节阀的调节方法，同时计算机系统自动对实验数据进行采集、处理以及图像生成。 二、实验内容： 1.测定5-6组不同流速下简单套管换热器的对流传热系数。 2.测定5-6组不同流速下强化套管换热器的对流传热系数。 3.对的实验数据进行线性回归，确定关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的数值。 4.通过关联式Nu=ARemPr0.4计算出Nu、Nu0，并确定传热强化比Nu/Nu0。 三、实验原理： 1.普通套管换热器传热系数测定及准数关联式的确定： （1）对流传热系数的测定： 对流传热系数可以根据牛顿冷却定律，通过实验来测定。因为 ,所以传热管内的对流传热系数K，K（W/m2·℃）为热冷流体间的总传热系数，且 所以： （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； —管内平均温度差，℃。 平均温度差由下式确定： （2） 式中：—冷流体的入口、出口平均温度，℃； 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，由于管外使用蒸汽，所以tw近似等于热流体的平均温度。 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：Vi—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·℃)； ρi—冷流体的密度，kg /m3。 cpi和ρi可根据定性温度tm查得，为冷流体进出口平均温度。ti1，ti2， tw， Vi可采取一定的测量手段得到。 （2）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： （7） 这样通过实验确定不同流量下Rei与，然后用线性回归方法确定A和m的值。 2.强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定： 强化传热技术，可以使初设计的传热面积减小，从而减小换热器的体积和重量，提高了现有换热器的换热能力，达到强化传热的目的。同时换热器能够在较低温差下工作，减少了换热器工作阻力，以减少动力消耗，更合理有效地利用能源。强化传热的方法有多种，本实验装置采用了多种强化方式，具体见下表。 其中螺旋线圈的结构图如图一所示，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的比值以及管壁粗糙度（）为主要技术参数，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A和m的值因强化方式不同而不同。在本实验中，确定不同流量下的Rei与，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：，其中Nu是强化管的努塞尔准