传热综合实验

时间:2024.7.17

实验2 传热综合实验

一、实验目的

1.通过对简单套管换热器的实验,掌握对流传热系数的测定方法。应用线形回归分析方法,确定关联式中常数A、m的值。

2.通过对强化套管换热器的实验,测定其准数关联式中常数B、m的值和强化比

3.套管换热器的管内压降Δp和Nu之间的关系。

二、实验原理

  1.普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定

(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理来实验测定:,其中为管内流体对流传热系数,W/(m2?℃);为管内传热速率,W;为管内换热面积,m2;Δtm为内管壁温度与内管流体温度的平均温差,℃。

平均温差 ,其中 为冷流体的入口、出口温度,℃;tw为壁面平均温度,℃。而管内换热面积,其中di为内管管内径,m;Li为传热管测量段的实际长度,m。

由热量衡算式,其中质量流量由下式得。式中Vi为冷流体在套管内的平均体积流量,m3/h;为冷流体的定压比热,kJ/(kg?℃);为冷流体的密度,kg/m3可根据定性温度tm查得,为冷流体进出口平均温度。

(2)准数关联式的测定

流体在管内作强制湍流,被加热状态下,准数关联式的形式为,其中都可根据定性温度tm查得。经计算可知对于管内被加热的空气,普兰特准数变化不大,可看作常数,则关联式简化为。通过实验确定不同流量下的Re和Nu,然后用线形回归的方法确定A和m。

  2.强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定

强化传热的方法有多种,本实验采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法。经验公式为,其中B与m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。本实验计算不同流量下的Re和Nu,用线性回归的方法可确定B和m。

单纯研究强化手段的强化效果(不考虑阻力),可以用强化比Nu/Nu0作为评判准则,其中Nu是强化管的努塞尔准数,Nu0是普通管的努塞尔准数。显然强化比Nu/Nu0 >1,且它的值越大强化效果越好。

三、实验流程图

图1 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-内插有螺丝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、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―传热系数分布实验套盒;15―紫铜管;16―加水口;17―放水口;18―液位计;19―热电偶温度测量实验测试点接口;20―普通管测压口;21―强化管测压口

四、原始数据记录(附后)

五、数据整理

普通管:内管外径22.0mm,内管壁厚1.0mm,内管直径20.0mm;强化管:内插螺旋丝,

其它数据同普通管;测量段长度1.00m;孔板流量计:开孔尺寸17.0mm,流量公式系数A=23.8;40-60℃下干空气比热容cp=1.005 kJ/(kg?℃) ;普兰特准数Pr=0.698

壁面温度与热电势的关系为 tw(℃)=8.5009+21.25678×E(mV)

流量计压差与流量的关系为

表1 普通管数据处理表

表2 强化管数据处理表

表3 强化比数据处理表

六、计算举例

  1.普通管换热器(第2组)

管壁温度

冷流体入口温度 ℃,得此温度下水的密度

流量计流量

管内传热速率

平均温差

管内换热面积

对流传热系数 W/(m2?℃)

定性温度 ℃,此温度下水的密度

粘度,热导率W/(m?℃)

雷诺数

努塞尔准数

 2.强化管换热器(第2组)

管壁温度

流量计流量

管内传热速率

平均温差

管内换热面积

对流传热系数 W/(m2?℃)

雷诺数

努塞尔准数

  3.强化比计算(第2组)

强化比

  4.对普通管进行回归计算

① 线性回归(第2组)

  由 得 ,即

  代入数据得

0.8685,,得

② 相关性

由计算机计算得相关系数,即。由n=6,n-2=4,查相关系数检验表得。这表明Re和Nu两变量线性相关在的高水平上仍然是显著的,因此在Re、Nu之间求回归直线是完全合理的。

③ 方差分析

查表得 ∴所作回归在最高水平0.01水平上仍然是显著的,此结论与用相关系数r作显著性检验的结论一致。

六、实验结果分析讨论

图1 普通管和强化管换热器的Nu-Re图

得光滑管的准数关联式,即A=0.011,m=0.8685。与经验公式相比,实验得A与m的相对误差分别为52.17%和5.45%。由强化管的准数关联式得B=0.0472,m=0.745。

误差产生的原因有以下几种可能:

热电阻温度计、孔板流量计和压差计测量不够准确;流量计显示时有波动,读数不够准确;读取温度值时系统还未完全稳定;多步计算产生的误差。

图2 普通管和强化管换热器的ΔP-Nu

由上图可得,强化管的ΔP-Nu曲线总是在普通管曲线的上方,表明强化管所需要的动力输送比较大。

实验在不同流量下得到的强化比处于1.3-1.5之间,它说明强化管增加了流动的阻力系数,改变了流体的流动状态,有利于换热器换热能力的提高。


第二篇:实验五 传热综合实验


实验五:传热综合实验

实验五 传热综合实验

一、实验目的

1、熟悉传热实验的实验方案设计及流程设计。

2、了解换热器的基本构造与操作原理。

3、掌握热量衡算与传热系数K及对流传热膜系数α的测定方法。

4、了解强化传热的途径及措施。

5、掌握热电偶的测温原理及电位差计的使用。

二、实验内容

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α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。

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,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。

三、实验原理

1、概述

热力学第二定律指出:无论是气体、液体还是固体,都存在着温度差异,就必然导致热量自发地从高温向低温传递,这一过程被称为热量传递过程,简称传热。用于冷热流体进行热量交换的设备称为换热器。

传热在工程技术领域中的应用十分广泛,在动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源和宇航等工程中,都占有十分重要的地位。因此,了解传热过程的基本原理及传热设备(即换热器)的结构性能具有极其重要的意义。

换热器是由各种不同的传热元件组成的换热设备,冷热流体借助换热器中的传热元件进行热量交换而完成加热或冷却任务。换热器的传热系数是衡量换热器的换热效果好坏的标准,不同传热元件组成的换热器的性能存在着较大的差异。确定换热器换热性能(主要是指传热系数)的有效途径是通过实验进行测定。

2、实验原理

传热实验是在实验室条件下的教学实验,用仪表考察冷热流体在套管式换热器中的传热过程,其理论基础是传热基本方程牛顿冷却定律及热量平衡关系。

由传热基本方程得: Q?K?A??tm

21

化工原理实验讲义

式中

K——传热系数 (m2K)

A——换热器的传热面积 (m2)

?tm——平均温度差 (K)

Q——传热量 (W) 由上式可得K?QA?tm,由实验测定Q、A、?tm即可求得K值。 由传热系数K亦可确定换热面内外两侧的对流传热膜系数。 对薄壁圆管(dodi小于2),传热系数K与传热膜系数之间有如下关系:

111?????Rdo?Rdi K?o?i?

式中

K——传热系数 (m2K) ?o——加热管外壁面的对流传热膜系数 (m2K) ?i—— 加热管内壁面的对流传热膜系数 (m2K) δ——加热管壁厚 (m) λ——加热管的导热系数 (w/m K) Rdo——加热管外壁面的污垢热阻 (m2?Kw) Rdi——加热管内壁面的污垢热阻 (m2?K) 实验室条件下考虑忽略污垢热阻,则

K?1

11

?o

若有?i 》?o,则有

K≈?o;

实验中冷流体采用空

气,热流体采用水蒸汽。

通过测取冷热流体在换热

器进出口的流量及温度变

化来进行总传热系数K对

流传热膜系数?与相关准

数关系的测定。 ??i

1 风机 2 冷流体出口温度 3 冷流体入口温度 4 热流体出口温度 5 热流体入口温度 6 调节阀 7 套管换热器

8 压力表 9 蒸汽温度 10 蒸汽发生器 11 气体流量计

22 3、实验流程图

实验五传热综合实验

实验五:传热综合实验

四、实验操作步骤

1、实验前应熟悉实验流程,做好实验的准备工作。

2、检查电源连接是否正确,风机、加热装置工作是否正常,设备密封是否良好。

3、检查蒸汽发生器内水位是否符合要求,必要时加水。以免热管烧坏。

4、检查热电偶接触是否良好,看热电偶插入处有无脱落?

5、实验正常操作前应打通冷却水,排除换热器内的不凝性气体。稍开放空阀排不凝

性气体。

6、启动电源开关后,电源指示灯亮;打开蒸汽发生器加热开关。将蒸汽发生器加热

温度仪表设定至所需温度值,然后调节电流表旋钮,顺时针旋转,电流表显示数值将逐步加大;大约85摄氏度左右时把两个调节旋钮调小一点(防止热惯性所造成的温度不稳定现象)。

7、由于热电偶测量时存在一定的误差,故蒸汽温度显示90度左右时蒸发器内的水已

经沸腾。此时可以打开风机开关调节风量调节阀,开始进行传热实验。

8、在实验过程中热流体出口温度有可能高于蒸汽温度,原因是一方面换热器内部结

垢严重,另一方面是传热过程中给的热量大,导致热流体出口温度高于蒸汽温度。

9、读取实验数据时应待操作稳定后才开始进行,一组实验数据应连续进行测定,两

组数据间应有一定的稳定时间,每组实验数据的测温点应始终保持不变,以减少系统误差。各组实验数据间操作状态的改变,通过调节风机出口阀的开度,开大阀门则增加冷流体进料量,调小反之。

10、实验完毕,应先关掉蒸发器开关,将电流表调至零,停止加热;风机继续工作一

段时间,待蒸发器温度降至50度以下再关掉所有电源开关,结束实验。

五、注意事项

1、蒸发器加水一般加到液位计的2/3即可,假若水位超过了此高度那么不管再加多

少水液位计的指示都不会改变。液位最少时也不能低于蒸汽发生器的1/2否则电热管极易烧坏!

2、实验操作时应注意安全,防止触电和烫伤。

3、测量时应逐步加大气相流量,记录数据。否则实验数值误差较大。

六、实验数据整理及要求

1、测定有关数据并进行数据处理,整理出相关经验公式,绘出相应实验图表及曲线。

2、将原始数据列成表格并进行实验数据处理。

3、根据实验结果对测定的K、?值进行分析讨论。

23

化工原理实验讲义

七、设备性能与主要技术参数

1、本实验装置主要由套管换热器、蒸发器、风机、温控仪表、气体流量计、柜体、开关、指示灯等组成。

2、套管换热:换热段长度为1000mm换热面积为0.142m2。换热器外部都包有保温层,并用不锈钢皮包好,外表美观,可以减少实验的热损失,也可以防止实验者的意外烫伤。

3、热流体通过的紫铜管为φ22×1.5mm,长为750mm。冷流体通过的不锈钢管为φ52×1.5mm。

4、蒸发器为不锈钢制成,最大加热功率为2KW。其上装有液位计,正常液位要维持在2/3处,最多加至液位计所能指示的范围最高处。必要时加水,以免电热管干烧(加水时需注意水位超过液位计指示时仍往蒸发器内加水,液位计将无法显示液位)。其表面也包有保温层。

5、风机为旋涡式增氧机,输入功率为370W,转速为2800/min,风量为72m3/h。 6、温度仪表:本装置上配置一块XMT温度控制仪表,四块XMZ温度显示仪;XMT温度控制仪表用于控制蒸发器温度,XMZ温度显示仪可以直接显示所对应各点的温度。

7、风量测量:转子流量计,测量范围:4-40 m3/h。

8、柜体在其面板可以控制整个实验的全过程。仪表开关下部都有对应的标识。 9、开关、指示灯 按下开关指示灯亮表明对应的工作正在运行,关闭时则按开关上箭头的方向旋转即可。

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实验五传热综合实验

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