暨南大学-化工传热综合实验

暨南大学本科实验报告专用纸

课程名称 食品工程原理实验 成绩评定 实验项目名称 化工传热综合实验 指导教师 实验项目编号 实验项目类型 实验地点 学生姓名 学号 学院 系 专业 实验时间 年 月 日 午～ 月 日 午 温度 ℃湿度

一、实验目的

1.掌握对流传热系?i的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解；

m0.42.应用线性回归分析方法，确定关联式Nu?ARePr中常数A、m的值；

3.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

NuNu0，了解强化传热的基本理论和基本方式。

二、实验原理

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。 ⒈ 对流传热系数?i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?i可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定

?i?Qi （1）

?tm?Si式中：?i—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；

?tm—内壁面与流体间的温差，℃。

?tm由下式确定： ?tm?tw?t1?t2 （2）

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。

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管内换热面积： Si??diLi （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：Qi?WmCpm(t2?t1) （4） 其中质量流量由下式求得：

Wm?Vm?m （5） 3600式中：Vm—冷流体在套管内的平均体积流量，m3 / h； Cpm—冷流体的定压比热，kJ / (kg·℃)； ?m—冷流体的密度，kg /m3。

tm? Cpm和?m可根据定性温度tm查得，

t1?t2为冷流体进出口平均温度。t1，2t2， tw， Vm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

Nu?ARemPrn. （6）

其中： Nu??idiud?Cpm?m， Re?mim ， Pr?

?m?i?m物性数据?m、Cpm、?m、?m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Pr变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：

Nu?ARemPr0.4 （7）

这样通过实验确定不同流量下的Re与Nu，然后用线性回归方法确定A和m的值。

三、实验流程和设备主要技术数据

(一)、水蒸汽为介质，对流换热的简单套管换热器和强化内管的套管换热器。通

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过对本换热器的实验研究，可以掌握对流传热系数αi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。 实验装置的主要特点如下： 1.实验操作方便,安全可靠。

2.数据稳定,强化效果明显，用图解法求得的回归式与经验公式很接近。 3.水,电的耗用小,实验费用低。

4.传热管路采用管道法兰联接,不但密封性能好,?而且拆装也很方便。 5.箱式结构，外观整洁，移动方便。 (二)、强化套管换热器实验简介

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

图1 螺旋线圈内部结构 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Nu?BRe的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。

采用实验3-1中的实验方法确定不同流量下得Rei与Nui，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：NuNu0，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NuNu0＞1，而且它的值越大，强化效果越好。

(三)、设备主要技术数据 1. 传热管参数:

表1 实验装置结构参数

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实验内管内径di（mm） 20.00 实验内管外径do（mm） 22.0 实验外管内径Di（mm） 50 实验外管外径Do（mm） 57.0 测量段（紫铜内管）长度l（m） 1.00 丝径h（mm） 1 强化内管内插物 （螺旋线圈）尺寸 节距H（mm） 40 操作电压 ≤200伏 加热釜 操作电流 ≤10安 2.空气流量计 (1) 由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。空气流量由公式[1]计算。

Vt0?22.696?(?P)0.5………………………………………………………………[1] 其中，

Vt0- 20℃ 下的体积流量，m3/h ；

?P-孔板两端压差，Kpa

?t1-空气入口温度（及流量计处温度）下密度，kg/m3。

(m3/h)与压差之间的关系。

3

(2) 要想得到实验条件下的空气流量V (m/h)则需按下式计算:

V?Vt0?273?t273?t0…………………………………………………………[2]

其中，V-实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m3/h； t-换热器管内平均温度，℃；

t1-传热内管空气进口（即流量计处）温度，℃。 3.温度测量

(1) 空气入传热管测量段前的温度t1 ( ℃ )由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。

(2) 空气出传热管测量段时的温度t2 ( ℃ )由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。

(3) 管外壁面平均温度tw( ℃ )由铜—康铜热电偶温度计测量，再由补偿式数字显示仪表直接读出。 (4).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160伏电压加热,约25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)。 (5).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

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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。

(6). 稳定时间

是指在外管内充满饱和蒸汽,并在不凝气排出口有适量的汽(气)?排出,空气流量调节好后,过15分钟,空气出口的温度t2 ( ℃ )可基本稳定。 (四)、实验设备流程图:

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-光华套管换热器；8-内插有螺旋线圈的强化套管换热器;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-旋涡气泵加水口；

(五)、实验方法及步骤

1.实验前的准备,检查工作.

(1) 向电加热釜内加水，液位计到端线处以上为易。 (2) 检查空气流量旁路调节阀是否全开。

(3) 检查水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。 (4) 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. 人工实验操作

(1).合上电源总开关。

(2).打开加热电源开关,设定加热电压(不得大于200V),直至有水蒸气冒出,在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气。

(3).启动风机并用放空阀来调节空气量,在一定的流量下稳定3—5分钟后分别测量空气的流量,空气进,处口的温度，由温度数字仪表显示（1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空气出口温度；3-粗糙管空气入口温度；4-粗糙管空气出口温度；5-加热器内温度）,换热器内管壁面的温度由数字仪表显示仪（上端红色-光滑管壁面热电势；下端绿色-粗糙管壁面热电势）。然后,在改变流量稳定后分别测量空气的流量,空气进,处口的温度, 壁面温度后继续实验。

(4).实验结束后,依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。

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