气-汽对流传热综合实验
一、 实验目的
1、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. 确定强制对流传热准数关联式中常数；
3. 通过对强化套管换热器的实验研究，了解强化传热的基本理论和基本方式。
二、 实验原理
本实验采用套管换热器, 以环隙内流动的饱和水蒸汽加热管内空气，水蒸汽和空气间的传热过程由三个传热环节组成：水蒸汽在管外壁的冷凝传热，管壁的热传导以及管内空气对管内壁的对流传热。本实验装置采用两组套管换热器，即光滑套管换热器及强化套管换热器。
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。
三、 实验装置
实验装置如图2所示，主要结构参数如表1所示。
说明：1、蒸汽发生器为电加热釜，使用容积为5升，内装有一支2.5kw的螺电热器，与一储水釜相连（实验过程中要保持储水釜中液位不要低于釜的二分之一，防止加热器干烧）；2、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。壁温采用热电偶温度计测量；3、旋涡气泵型号为XGB─2，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。
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-光滑套管蒸汽进口阀；7-光滑套管换热器；8-强化套管换热器；9-光滑套管蒸汽出口；10-强化套管蒸汽出口；11-光滑套管空气进口阀；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
表1实验装置结构参数
四、实验方法及步骤
1.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：
（1）关闭通向强化套管的阀门5，打开通向光滑套管的阀门6，当光滑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。
（2）启动风机后用放空阀14来调节流量，调好某一流量后稳定3-5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。
（3） 做完光滑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（2）。
（4）实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。
3.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。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。
（3）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。
（4）调节流量后，应至少稳定3~8分钟后读取实验数据。
（5）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。
五、 实验数据记录
将实验过程中所得数据记录在表2中，然后将数据整理后，记录在表3中，并说明其中一组数据的计算过程，即计算示例。
29
29
六、 
实验数据处理
(一)光滑套管换热器传热系数及其准数关联式的确定
1.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：t1，t2—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。
和可根据定性温度tm查得，
为冷流体进出口平均温度。t1，t2， tw，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
、、、
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
与
，然后在lgNu~lgRe双对数坐标系中用线性回归方法确定A和m的值。
3. 空气流量的测量：
（8）
其中，c0-孔板流量计孔流系数，c0=0.65
A0-孔的面积 m2
d0-孔板孔径 ， d0 =0.014 m
-孔板两端压差，Kpa
-空气入口温度（即 流量计处温度）下密度，Kg/m3。
（9）
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，℃。
(二) 强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定
采用和光滑套管同样的处理数据方法，确定传热系数和准数关联式。为研究强化传热效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，其形式为：
，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。
七、 思考题
1、比较强化管和光滑管的努塞尔准数（计算强化比），并说明强化管强化传热的原因。
2总传热速率方程为 ，其中总传热系数K与空气对流传热系数、蒸汽对流传热系数和内管导热系数都有关（忽略污垢热阻），但在本实验中： 。说明原因。
3、管内空气流动速度增大时，α有何变化？说明原因。
八、附录
实验数据的计算过程举例：
1、光滑套管数据处理
孔板流量计压差计读数 =0.40 KPa，空气进口温度
＝20.7 ℃
出口温度
＝65.4 ℃，传热管壁面温度
=99.7 ℃
(1)传热管内径
及流通截面积
＝20.00(ｍｍ),＝0.0200 (ｍ);
＝3.142×(0.0200) 2／4＝0.0003142（m2).
(2)传热管有效长度 
及传热面积
＝1.20ｍ
＝3.142×0.02×1.20＝0.07536(m2).
(3)空气平均物性常数的确定
先算出空气的定性温度， = 43.5（℃）
在此温度下空气物性数据如下：
平均密度 ρm ＝1.21(kg/m3)； 平均比热 Cpm＝1005 (J／Kg·k)；
平均导热系数 λm＝0.0277(Ｗ／ｍ·K)； 平均粘度 μm＝0.0000193 (
)；
⑷ 空气流过换热器内管时平均体积流量和平均流速的计算
孔板流量计体积流量（空气入口的体积流量）：
=0.65*3.14*0.0142*3600/4*
=9.27（m3/h）
其中，c0-孔板流量计孔流系数，c0=0.65
A0-孔的面积 m2
d0-孔板孔径 ， d0 =0.014 m
-孔板两端压差，pa
-空气入口温度（即 流量计处温度）下密度，Kg/m3。
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，则传热管内平均体积流量为：
=10.00（m3/h）
—传热管内平均体积流量，m3/h；
—传热管内平均温度，℃。
平均流速
:
=8.85（m/s）
⑸ 壁面和冷流体间的平均温度差的计算:
= 99.7－43.5 = 56.65（℃）
⑹ 传热速率
139（W）
⑺ 管内传热系数
40（W/m2·℃）
⑻ 各准数
29
=10377
其它组数据处理方法同上，数据结果见表2。
⑼ 求关联式中的常数项
以
为纵坐标，为横坐标，在对数坐标系上标绘～关系，由线性回归出如下结果： y = 0.0266x0.757
即 
2、强化套管换热器数据处理：
重复上面步骤，同样可以得到强化套管换热器的实验数据，计算过程略，结果见表3及图。其中强化比的计算如下：
将强化套管换热器求得的Re数带入光滑套管换热器所得的准数关联式中，可以得到
。如表3中第1组数据：= 26437
= 
= 0.0174×264370.8161×0.6970.4 = 61.20758
= 98/61.20758 = 1.5992