化工传热综合实验说明书

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1、圆形直管中气体对流传热系数的测定装置说明书10天津大学化工基础实验中心一、实验目的：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αi的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。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，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。3.学会并应用线性回归分析方法，确定传热管关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m数值，强化管关联式Nu0=BRemPr0.4中B和m数值。4.根据计算出的Nu、Nu0求出强化比，比较强化传热的效果，加深理解强化传热的基本理论和基

2、本方式。二、实验内容：1.测定5-6组不同流速下简单套管换热器的对流传热系数。2.测定5-6组不同流速下强化套管换热器的对流传热系数。3.对实验数据进行线性回归，确定关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的数值。4.通过关联式Nu=ARemPr0.4计算出Nu、Nu0，并确定传热强化比Nu/Nu0。三、实验原理：1.普通套管换热器传热系数测定及准数关联式的确定：（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，通过实验来测定。（1）10（2）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，m

3、2；—管内平均温度差，℃。平均温度差由下式确定：（3）式中：—冷流体的入口、出口平均温度，℃；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，由于管外使用蒸汽，所以tw近似等于热流体的平均温度。管内换热面积：（4）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：（5）其中质量流量由下式求得：（6）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

4、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，被加热状态，准数关联式的形式为：.（7）10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：（8）这样通过实验确定不同流量下的Rei与，然后用线性回归方法确定A和m的值。2.强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定：强化传热技术，可以使初设计的传热面积减小，从而

5、减小换热器的体积和重量，提高了现有换热器的换热能力，达到强化传热的目的。同时换热器能够在较低温差下工作，减少了换热器工作阻力，以减少动力消耗，更合理有效地利用能源。强化传热的方法有多种，本实验装置采用了多种强化方式，具体见下表。图-1螺旋线圈强化管内部结构其中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

6、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的比值以及管壁粗糙度（）为主要技术参数，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A和m的值因强化方式不同而不同。在本实验中，确定不同流量下的Rei与，用线性回归方法可确定B和m的值。10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

7、，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，只有强化比较高，且阻力系数较小的强化方式，才是最佳的强化方法。四、实验装置的基本情况：1.实验装置流程示意图（如图-2所示）：图-2传热综合实验装置流程图2.实验设备主要技术参数（如表1所示）：表1实验装置结构参数实验内管直径（mm）Φ22×110实验内管外径do（mm）22.0实验外管直径（mm）Φ57×3.5测量段（紫铜内管）长度L（m）1.20强化内管内插物（螺旋线圈）尺寸丝径h（mm）1节距H（mm）40孔板流量计孔流系数及孔径c0=0.65、d0=

8、0.017m旋涡气泵XGB─2型加热釜操作电压≤200伏操作电流≤10安3.实验装置面板图（如图-3所示）：图-3传热过程