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1、4.4 传热综合计算机数据采集和过程控制实验一、实验目的 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i法，加深对其概念和影响因素的理解。 应用线性回归分析方法，确定圆管内强制湍流对流传热关联式 Nu=ARemPr0.4 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，测定其准数关联式 Nu=BRem 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。4了解热电偶测温技术以及传热过程计算机数据采集和过程控制技术。二、 实验内容与要求实验 4.3-1 实验 4.3-2实验内容与要求 测定 810 个不同流
2、速下简单套管换热器的对流传热系数 。i 对 的实验数据进行线性回归，求i关联式 Nu=ARemPr0.4 中常数 A、m 的值。 测定 810 个不同流速下简单套管换热器的管内压降 。1p 测定 810 个不同流速下强化套管换热器的对流传热系数 。i 对 的实验数据进行线性回归，求i关联式 Nu=BRem 中常数 B、 m 的值。 测定 810 个不同流速下强化套管换热器的管内压降 。并在同一坐标系2p下绘制普通管 Nu 与强化管 12pNu 的关系曲线。比较实验结果。 同一流量下,按实验 3-1 所得准数关联式求得 Nu0,计算传热强化比 Nu/Nu0。三、实验原理1 普通套管换热器传热系数
3、及其准数关联式的测定 对流传热系数 的测定i对流传热系数 可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。因为 ,所以传热管i io内的对流传热系数 热冷流体间的总传热系数 （W/m 2）,即i /imiKQtS（ 4-imiSt13）式中： 管内流体对流传热系数，W/(m 2)；i Qi管内传热速率，W；Si管内换热面积，m 2；对数平均温差，。t对数平均温差由下式确定：（4-12()()lnwiwimitt14）式中：t i1，t i2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，由于
4、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-iiLdS15）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-)(12iipii tcWQ16）其中质量流量由下式求得： （4-360iiV17）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， 21iittw， Vi 可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
5、式为. （4-nimiiANuPrRe18） 其中： ， ， iiduiidipicr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：（ 4-4.0PrReiiiANu19）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。i2、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
6、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 4-8 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hd/2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
7、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mBNuRe丝尺寸不同而不同。在本实验中，采用实验 3-1 中的实验方法确定不同流量下的 Rei 与 ，用线性回归方iNu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数，Nu 0 是普通管的努塞尔准数，0Nu显然，强化比 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，阻力系数随着换热系数的增加而增加，从而导致换热性能的降低和能耗的增加，只有强化比较高，
8、且阻力系数较小的强化方式，才是最佳的强化方法。四、实验装置 实验流程图及基本结构参数：如图 4-9 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） 。气源选择 XGB-2 型旋涡气泵，使用旁路调节阀调节流量。蒸汽空气上升管路，使用三通和球阀分别控制气体进入两个套管图 4-8 螺旋线圈强化管内部结构换热器。空气由旋涡气泵吹出，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
9、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。空气经支路控制阀 7 后，进入蒸汽发生器上升主管路上的热电偶和传热系数分布实验管，可完成热电偶原理实验。装置结构参数表 4-6 所示。 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：（ 4-02.69tVpA20）式中： 20下空气的体积流量，m 3/h；0tV孔板流量计两端压差，kPa；Pt1流量计处温度（本实验装置为空气入口温度） ，；t1温度为 t1 时的空气密度， kg/m3。表 4-6 实验装置结构参数实验内管内径 di（mm） 20
10、.00实验内管外径 do（mm） 22.0实验外管内径 Di（mm） 50实验外管外径 Do（mm） 57.0测量段（紫铜内管）长度 l（m ） 1.0丝径 h（mm） 1强化内管内插物（螺旋线圈）尺寸 节距 H（mm） 40加热釜 操作电压 200 伏 图 4-9 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图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； 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
11、口；17、液位计；18、冷凝液回流口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：（4-0273mttV21） 温度的测量实验采用铜-康铜热电偶测温（见图 4-10） ，空气入、出传热管测量段前的温度由电阻温度计测量，可由多路数字显示仪表直接读出。 （1-光滑管入口温度、2-光滑管出口温度、3-强化管入口温度、4-强化管出口温度、5-加热釜温度）管外壁面平均温度 tw( )由数字式温度计直接显示读出。 （仪表上方的显示值为光滑管壁面平均温度，仪表下方的显示值为强化管壁面平均温度）图 4-10 传热实验中冷流体进出口温度及壁温的测量线路图五、实验方法及步骤1.实验前的准备、检查工作：
12、(1) 向电加热釜加水；(2) 检查加热水量调解阀是否打开；(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. 实验操作： 人工实验操作(1) 合上电源总开关；(2) 设定加热电压(不得大于 200V),打开加热电源开关,直至有水蒸气冒出,在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气。(3) 启动风机并用放空阀来调节流量,在一定的流量下稳定 510 分钟后分别测量空气的流量，空气进、出口的温度由巡检显示仪（1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空气出口温度；3-粗糙管空气入
13、口温度；4-粗糙管空气出口温度）,换热器内管壁面的温度由热电偶温度显示仪（上-光滑管壁面温度；下-粗糙管壁面温度）测得。然后,在改变流量稳定后分别测量空气的流量,空气进、出口的温度, 壁面温度后继续实验。(4) 实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。计算机数据采集和过程控制:(1) 启动计算机并按照操作说明进行操作.(2) 合上电源总开关,(3)按照计算机提示的要求操作可以得到实验结果。六、注意事项 本实验采用热电偶测温，因其冷端的温度已进行了自动补偿，所以热电偶的冷端无需浸没在冰水混合物中保持恒温。 检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内（水位不低于加热釜的三分之二） 。特别
14、是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。 必须保证蒸汽上升管线的畅通。即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路控制阀（见图 4-9 所示）之一必须全开。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。 必须保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前，三个空气支路控制阀之一和旁路调节阀（见图 4-9 所示）必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。 调节流量后，应至少稳定 510 分钟后读取实验数据。 实验中保持上升蒸汽量的稳定，不应改变加热电压，且保证蒸汽放空口一直有蒸汽放出。六、报
15、告内容 实验 4.3-1 的原始数据及数据结果表、准数关联式的回归过程、结果与具体的回归方差分析，并以其中一组数据的计算举例。 实验 4.3-2 的原始数据表、数据整理表、准数关联式的回归结果。 在同一双对数坐标系中绘制实验 3-1、实验 3-2 的 NuRe 的关系图。 在同一坐标系中绘制实验 3-1、实验 3-2 的 PNu 的关系图。 对实验结果进行分析与讨论。思考题（1）在间壁两侧流体的对流传热系数 相差较大时，壁温接近哪侧温度？欲提高 K 值，应从哪侧入手？（2）观察采取强化措施前后壁温的变化情况是否可以得出结论：通过壁温能够监测或判断传热过程是否被强化及强化的程度？试用传热理论加以分析。
