气—气传热综合实验操作讲义02

时间:2024.5.21

气—气传热综合实验讲义

一、实验目的:

⑴ 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,并应用线性回归分析方法,确定关联式中常数A、m的值;

⑵ 通过对管程内部插有螺旋线圈和采用螺旋扁管为内管的空气—水蒸气强化套管换热器的实验研究,测定其准数关联式中常数B、m的值和强化比,了解强化传热的基本理论和基本方式;

⑶ 了解套管换热器的管内压降之间的关系;

二、实验内容:

实验一:

① 测定5~6个不同流速下简单套管换热器的对流传热系数

② 对的实验数据进行线性回归,求关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。

③ 测定5~6个不同流速下简单套管换热器的管内压降

实验二:

① 测定5~6个不同流速下强化套管换热器的对流传热系数

② 对的实验数据进行线性回归,求关联式Nu=BRem中常数B、m的值。

③ 测定5~6个不同流速下强化套管换热器的管内压降。并在同一坐标系下绘制普通管~Nu与强化管~Nu的关系曲线。比较实验结果。

④ 同一流量下,按实验一所得准数关联式求得Nu0,计算传热强化比Nu/Nu0

三、实验原理

实验一  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律,用实验来测定。

                         (2-1)

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

       —内管壁面温度与内管流体温度的平均温差,℃。

       平均温差由下式确定:

              (2-2)

式中:ti1,ti2—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:

                (2-3)

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:

        (2-4)

其中质量流量由下式求得:

              (2-5)

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,处于被加热状态,准数关联式的形式为

.        (2-6)

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:

       (2-7)

通过实验确定不同流量下的Rei,然后用线性回归方法确定A和m的值。

实验二、强化套管换热器传热系数及其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。

螺旋线圈的结构图如图2-1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的比值为主要技术参数,且节距与管内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。

          

在本实验中,采用实验2-1中的实验方法确定不同流量下的Rei,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数,Nu0是普通管的努塞尔准数,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,只有强化比高且阻力系数小的强化方式,才是最佳的强化方法。

  

四、实验装置

    1.实验流程图及基本结构参数:

如图2-2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)。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。

  

图2-2  空气-水蒸气传热综合实验装置流程图(A型)

实验装置:

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、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(本实验不使用);

15—紫铜管;16—加水口;17—放水口;18—液位计;

19—热点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

2.实验的测量手段

    ⑴ 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,

其流量计的计算式为:

 

式中: —孔板流量计两端压差,KPa;

        —流量计处温度(本实验装置为空气入口温度),℃;

        温度下的空气密度,kg/m3

实验装置结构参数见下面说明:

由于被测管段内温度的变化,还需对所测得体积流量进行进一步的校正:

              (2-8)

Vt0 —冷流体进入换热器时的体积流量,m3 / h;

    ⑵ 温度的测量

实验中壁面温度是用铜-康铜热电偶测量的,温度与热电势的关系为:

                  T(℃)=1.2705+23.518×E(mv)                      (2-9)

冷流体进出口温度是用Cu50热电阻温度计测量得到的。

五、注意事项

⑴ 由于采用热电偶测温,所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存。检查热电偶的冷端,是否全部浸没在冰水混合物中。

⑵ 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。

⑶ 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2-2)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。

⑷ 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2-2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。

⑸ 调节流量后,应至少稳定5~10分钟后读取实验数据。

⑹ 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、报告内容

⑴ 实验一的原始数据表、数据结果表(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。

⑵ 实验二的原始数据表、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。

⑶ 在同一双对数坐标系中绘制实验一、实验二的Nu~Re的关系图。

⑷ 在同一坐标系中绘制实验一、实验二的△P~Nu的关系图。

⑸ 对实验结果进行分析与讨论。

七、传热实验仿真操作步骤

    传热实验仿真主要设备介绍图如下图2-3所示:

 

普通套管实验操作:

⑴ 检查水槽液位计,若发现水量较少,打开注水阀VA102,补充水量至2/3处;

⑵ 打开连通阀VA101,使水槽与蒸汽发生器相通;

⑶ 打开普通套管蒸汽开关阀VA104,确保蒸汽管路畅通;

⑷ 打开电源总开关,启动蒸汽发生器开关,加热蒸气;

⑸ 等待若干秒,待水蒸气进入套管换热器外管,当蒸气排出口有恒量蒸汽排出时,标志实验可以开始;

⑹ 打开漩涡风机旁路阀VA106至最大;

⑺ 打开普通套管空气开关阀VA107,确保空气管路畅通;

⑻ 启动漩涡风机开关;

⑼ 通过调节漩涡风机旁路阀VA106的开度,调节流量所需值,待数值稳定后,到“实验数据一”面板点击“普通套管数据记录”按钮,记录实验数据至“实验报表”

⑽ 按照阀门VA106开度由大到小的顺序,记录5~6组实验数据

强化套管实验操作:

⑾ 关闭风机电源;

⑿ 缓慢开启强化管道蒸汽开关阀VA105,再关闭普通套管蒸汽开关阀VA104,使强化管路蒸汽畅通;待蒸气排出口有恒量蒸汽排出,标志强化套管传热实验可以开始;

⒀ 将漩涡风机旁通阀VA106开至最大,接通漩涡风机开关;

⒁ 调节漩涡风机旁通阀VA106的开度,调节流量至所需值,带数值稳定后,倒“实验数据二”面板点击“强化套管数据记录”按钮,记录实验数据至“实验报表”

⒂ 按照阀门VA106开度由大到小的顺序,记录5~6组实验数据

⒃ 关闭蒸汽发生器加热电源,待蒸气放空口没有蒸汽逸出,将漩涡风机旁通阀VA106至全开,并关闭漩涡气泵开关,关闭总电源开关

⒄ 实验结束

参数设置:

到“参数设置”面板,改变强化套管、普通套管的半径、长度、蒸汽温度,重复以上步骤;

八、思考题

1.下列属于传热基本形式有

A.间壁换热

B.混合换热

C.辐射

答案:C

2."热能"总是:

A.由热能高的物体传向热能低的物体

B.由温度高的物体传向温度低的物体

C.由比热大的物体传向比热小的物体

答案:B

3.间壁换热时,壁温总是:

A.接近温度高的流体

B.接近温度低的流体

C.接近传热系数大的流体

答案:C

4.在本实验中的管壁温度Tw应接近蒸汽温度,还是空气温度?可能的原因是:

A.接近空气温度,这是因为空气处于流动状态,即强制湍流状态,a(空气)↑

B.接近蒸汽温度,这是因为蒸汽冷凝传热膜系数,a(蒸)>>a(空)。

C.不偏向任何一边,因为蒸汽冷凝a和空气温度a均对壁温有影响。

答案:B

5.以空气为被加热介质的传热实验中,当空气流量Va增大时,壁温如何变化?

A.空气Va增大时,壁温Tw升高。

B.空气流量Va增大时,壁温Tw降低。

C.空气流量Va增大时,壁温Tw不变。

答案:B

6.下列诸温度中,哪个做为确定物性参数的定性温度?

A.介质的入口温度

B.介质的出口温度

C.蒸汽温度

D.介质入口和出口温度的平均值

E.壁温

答案:D

7

7.管内介质的流速对传热膜系数a有何影响?

A.介质流速u增加,传热膜系数a增加

B.介质流速u增加,传热膜系数a降低

C.介质流速u增加,传热膜系数a不变

答案:A

8.管内介质流速的改变,出口温度如何变化?

A.介质流速u升高,出口温度t2升高

B.介质流速u升高,出口温度t2降低

C.介质流速u升高,出口温度t2不变

答案:B

9.蒸汽压强的变化,对a关联式有无影响?

A.蒸汽压强P↑,a值↑,对a关联式有影响

B.蒸汽压强P↑,a值不变,对a关联式无影响

C.蒸汽压强P↑,a值↓,对a关联式有影响

答案:B

10.改变管内介质的流动方向,总传热系数K如何变化?

A.改变管内介质的流动方向,总传热系数K值增加

B.改变管内介质的流动方向,总传热系数K值减小

C.改变管内介质的流动方向,总传热系数K值不变

答案:C

九、参考文献

[1] 冷士良. 化工单元过程及操作. 北京:化学工业出版社,2002

[2] 张金利等. 化工原理实验. 天津:天津大学出版社,2005

[3] 杨祖荣. 化工原理实验. 北京:化学工业出版社,2004


第二篇:实验三:气-汽传热综合实验


实验三   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Am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:t1t2—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

    可根据定性温度tm查得,为冷流体进出口平均温度。t1t2 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,然后用线性回归方法确定Am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Bm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ReiNu,用线性回归方法可确定Bm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,Nu0是光滑管的努塞尔准数,显然,强化比>1,而且它的值越大,强化效果越好。

(四)实验流程和设备主要技术数据

⒈ 设备主要技术数据见表1

  表1  实验装置结构参数

⒉ 实验流程如图2所示

图2  空气-水蒸气传热综合实验装置流程图

1-液位管;;2-储水罐;3-排水阀;4-蒸汽发生器;5-强化套管蒸汽进口阀;;6-普通套管蒸汽进口阀;7-普通套管换热器;8-内插有螺旋线圈的强化套管换热器;9-普通套管蒸汽出口;10-强化套管蒸汽出口;11-普通套管空气进口阀;

12-强化套管空气进口阀、13-孔板流量计;14-空气旁路调节阀;15-旋涡气泵加水口;

(1) 温度的测量

空气进出口温度采用电偶电阻温度计测得,由多路巡检表以数值形式显示(1—普通管空气进口温度;2—普通管空气出口温度;3—强化管空气进口温度;4—强化管空气出口温度;)。壁温采用热电偶温度计测量,光滑管的壁温由显示表的上排数据读出,强化管的壁温由显示表的下排数据读出。

(2) 电加热釜

是产生水蒸汽的装置,使用体积为7升,内装有一支2.5kw的螺旋形电热器,当水温为30℃时,用(120—180)伏电压加热,约15分钟后水便沸腾,为了安全和长久使用,建议最高加热(使用)电压不超过200伏(由固态调压器调节)。

(3) 气源(鼓风机)

又称旋涡气泵,XGB─2型,由无锡市仪表二厂生产,电机功率约0.75 KW(使用三相电源),在本实验装置上,产生的最大和最小空气流量基本满足要求,使用过程中,输出空气的温度呈上升趋势。

⒊ 实验的测量手段

⑴ 空气流量的测量

       空气流量计由孔板与差压变送器和二次仪表组成。该孔板流量计在20℃时标定的流量和压差的关系式为:                                           (8)

流量计在实际使用时往往不是20℃,此时需要对该读数进行校正:

                          (9)

式中:—孔板流量计两端压差,KPa;

      —20℃时体积流量, m3/h;

—流量计处体积流量,也是空气入口体积流量,m3/h;

 —流量计处温度,也是空气入口温度,℃。

由于换热器内温度的变化,传热管内的体积流量需进行校正:

                                          (10)

—传热管内平均体积流量,m3/h;

  传热管内平均温度,℃。

四、实验方法及步骤

⒈ 实验前的准备,检查工作。

⑴ 向储水罐中加水至液位计上端处。

⑵ 检查空气流量旁路调节阀是否全开。

⑶ 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。

⑷ 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. 实验开始。  

⑴ 关闭通向强化套管的阀门5,打开通向简单套管的阀门6,当简单套管换热器的放空口9有水蒸气冒出时,可启动风机,此时要关闭阀门12,打开阀门11。在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气冒出。

⑵ 启动风机后用放空阀14来调节流量,调好某一流量后稳定3-8分钟后,分别测量空气的流量,空气进、出口的温度及壁面温度。然后,改变流量测量下组数据。一般从小流量到最大流量之间,要测量5~6组数据。

⑶ 做完简单套管换热器的数据后,要进行强化管换热器实验。先打开蒸汽支路阀5,全部打开空气旁路阀14,关闭蒸汽支路阀6,打开空气支路阀12,关闭空气支路阀11,进行强化管传热实验。实验方法同步骤⑵。

⒊ 实验结束后,依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。

五、实验数据记录

光 滑 套 管 换 热 器 数 据 表

强 化 套 管 换 热 器 数 据 表

六、数据处理与分析

七、实验注意事项

⒈ 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。

⒉ 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,两蒸汽支路阀门之一必须全开。在转换支路时,应先开启需要的支路阀,再关闭另一侧,且开启和关闭阀门必须缓慢,防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。

⒊ 必须保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前,两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。在转换支路时,应先关闭风机电源,然后开启和关闭支路阀。

⒋ 调节流量后,应至少稳定3~8分钟后读取实验数据。

⒌ 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。

八、实验思考题

   预习思考题:

1.本次实验中空气流量如何测定?原始数据记录表中的哪个参数反映空气流量?

2.为什么在整个实验过程中始终要保持换热器出口有蒸气冒出?

3. 光滑套管和强化套管有何区别?如果空气流量相同,哪个套管内的传热系数大?

4. 本次实验中的传热系数,描述的是哪两者之间的对流传热?

实验思考题:

 

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北京化工大学实验报告传热膜系数测定实验班级化工1001班姓名李泽洲学号20xx011015同组人杨政鸿陈双全一摘要选用牛顿冷却定律作为对流传热实验的测试原理通过建立水蒸汽空气传热系统分别对普通管换热器和强化管换...

传热实验实验报告(48篇)