气-汽对流传热综合实验

时间:2024.7.10

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。

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

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

()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。

    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,然后在lgNu~lgRe双对数坐标系中用线性回归方法确定Am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,℃。

() 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

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

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