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1、化工原理实验 对流传热实验 对流传热实验一、实验目的通过对空气水蒸气光滑套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数1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Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。通过对管程内部插有螺纹管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。二、实验装置本实验设备由两组黄铜管（其中一组为光滑管，另一组为波纹管）组成平行的两组套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。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
2、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，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，其冷凝放出热量通过黄铜管壁被传递到管内流动的空气，达到逆流换热的效果。饱和蒸汽由配套的电加热蒸汽发生器产生。该实验流程图如图1所示，其主要参数见表1。表1 实验装置结构参数实验内管内径di（mm）16.00实验内管外径do（mm）17.92实验外管内径Di（mm）50实验外管外径Do（mm）52.5总管长（紫铜内管）L（m）1.30测量段长度l（m）1.10蒸汽温度空气出口温度空气入口温度蒸汽压力空气压力孔板流量计测量空气流量图1 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图1 光滑套管换热器；2螺纹管
3、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、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； 15放水口；14液位计；16加水口； 三、实验内容1、光滑管测定68个不同流速下光滑管换热器的对流传热系数1。对 1的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=ARem中常数A、m的值。2、波纹管测定68个不同流速下波纹管换热器的对流传热系数1。对 1的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=BRem中常数B、m的值。四、实验原理 1准数关联 影响对流传热的因素很多，根据因次分析得到的对流传热的准数关联为： Nu=CRemPrnGrl （1）式中C、m、n、
4、l为待定参数。参加传热的流体、流态及温度等不同，待定参数不同。目前，只能通过实验来确定特定范围的参数。本实验是测定空气在圆管内作强制对流时的对流传热系数。因此，可以忽略自然对流对传热膜系数的影响，则Gr为常数。在温度变化不太大的情况下，Pr可视为常数。所以，准数关联式（1）可写成NuCRem （2）待定参数C和m可通过实验测定蒸汽、空气的有关数据后，对式（2）取对数，回归求得直线斜率和截距。 2传热量计算 努塞尔数Nu或1无法直接用实验测定，只能测定相关的参数并通过计算求得。当通过套管环隙的饱和蒸汽与冷凝壁面接触后，蒸汽将放出冷凝潜热，冷凝成水，热量通过间壁传递给套管内的空气，使空气的温度升高
5、，空气从管的末端排出管外，传递的热量由（3）式计算。 QWecpc（t2t1）= V1cpc（t2t1） （3） 根据热传递速率 QKStm （4）所以 KStm=V1cpc（t2t1） （5）式中：Q换热器的热负荷（即传热速率），kJs； We冷流体的质量流量，kgs； V冷流体（空气）的体积流量，m3/s； 1一冷流体（空气）的密度，kgm3； K换热器总传热系数，W/（m2）； Cpc一一冷流体（空气）的平均比定压热容，kJ/（kgK）； S传热面积，m2； tm蒸汽与空气的对数平均温度差，。 空气的流量及两种流体的温度等可以通过各种测量仪表测得。综合上面各式即可算出传热总系数K。 3传
6、热膜系数的计算 当传热面为平壁或者当管壁很薄时，总的传热阻力和传热分阻力的关系可表示为： 式中：l空气在圆管中强制对流的传热膜系数，W（m2）； 2蒸汽冷凝时的传热膜系数，W（m2）。当管壁热阻可以忽略（内管为黄铜管而且壁厚b较薄，黄铜导热系数比较大）时，（7） 蒸汽冷凝传热膜系数远远大于空气传热膜系数，则K1。因此，只要在实验中测得冷、热流体的温度及空气的体积流量，即可通过热衡算求出套管换热器的总传热系数K值，由此求得空气传热膜系数1。 4努塞尔数和雷诺数的计算 式中：空气导热系数，W（m）； 一空气的粘度，Pas； d套管换热器的内管平均直径，m； 1进口温度t1时的空气密度，kgm3。
7、由于热阻主要集中在空气一侧，本实验的传热面积S取管子的内表面较为合理，即 Sdl本装置d=00178 m，l=1327m。 5空气流量和密度的计算 空气密度1可按理想气体计算：式中：pa当地大气压，Pa ； t孔板流量计前空气温度，可取t=t1； 空气的流量由 14喷嘴流量计测量，合并常数后，空气的体积流量可由（11）式计算（11）式中：C0合并整理的流量系数，其值为C0=0001233； R喷嘴流量计的压差计示值，mmH2O。 V1空气的体积流量，m3s。五、实验操作1实验前的准备 （1）向电加热釜加水至液位计上端红线处。 （2）检查空气流量旁路调节阀是否全开。 （3）检查普通管支路各控制阀
8、是否已打开，保证蒸汽和空气管路的畅通。 （4）接通电源总闸，设定加热电压，启动电热锅炉开关，开始加热。2实验开始 （1）当蒸汽压力稳定后，启动旋涡气泵并运行一段时间，保证实验开始时空气入口温度（）稳定。 （2）调节空气流量旁路阀的开度或主阀开度，使孔板流量计的压差计读数为所需的空气流量值。 （3）稳定58分钟左右读取压差计读数，读取空气入口、出口的温度值、（温度测量可采用热电偶或温度计）、空气压力值p1、空气入、出口之间压力差p2、蒸汽温度值t3及压力值p3,孔板流量计读数p4。 （4）调节空气流量，重复（3）与（4）共测610组数据（注意：在空气入、出口之间压力差p2最大值与最小值之间可分为
9、6-10段）。 （5）实验过程，要尽可能保证蒸汽温度或压力稳定，在蒸汽锅炉加热过程（蒸汽温度或压力变化较大）不要记录数据。3实验结束 （1）关闭加热器开关。 （2）过5分钟后关闭鼓风机，并将旁路阀全开。 （3）切断总电源。六、实验注意事项1、检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。2、必须保证蒸汽上升管线的畅通。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。3、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1所示）
10、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。4、调节流量后，应至少稳定510分钟后读取实验数据。5、套管换热器中积累的热水要及时放掉，以免影响蒸汽传热。七、实验记录及数据处理1、记录光滑管测定的操作步骤、按表2记录原始数据、给出数据处理结果表（换热量、传热系数、各准数以及重要的中间计算结果）、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。表2 实验数据记（光滑管）实验号空气入口温度值/空气出口温度值/空气入口压力值p1(mmH2O)空气入出口压力差p2(mmH2O)蒸汽温度值t3/蒸汽压力p3(MPa)孔板流量计读数p4(mmH2O)备注123
11、.063.647831310.155150224.364.9591241300.154140324.865.2681481300.153690425.165.8781741300.153250525.967.2902011300.153250626.868.11012271300.153910光滑管计算结果：tm/Kg/m3V/m3/sReNulgRelgNu71.575.520.03766859970.65351.01055.93450.00452570.276.90.0302862025.81441.03165.93550.0135269.877.940.02658873051.20651
12、.04565.94100.0193869.419.090.02331876537.28551.06465.94280.0271968.310.460.02173940276.64411.17775.97330.07103967.411.70.022541090947.90161.38476.03780.141349以第一组数据为例计算过程如下： 2、实验2的操作步骤、原始数据表、数据整理表（换热量、传热系数、各准数、Nu0和强化比，还包括重要的中间计算结果）、准数关联式的回归结果。同光滑管数据处理结果如下：表3 实验数据记（螺纹管）实验号空气入口温度值空气出口温度值空气入口压力值p1空气入出口压力差p2蒸汽温度值t3蒸汽压力p3孔板流量计读数p4备注11682.5301041250.15667021887.9401401250.155810320100.0501791250.155275422100.9602381250.154885524101.5703011250.154535626102.0803371250.15
