双套管传热实验讲义Word格式.docx
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1、管内Nu、αi的测定计算
1）管内空气质量流量的计算G[kg/s]
孔板流量计的标定条件：
P0=101325Pa
T0=273+20K
ρ0=1.205kg/m3
孔板流量计的实际条件：
P1=P0+ΔPPaΔP—为进气压力表读数
T1=273+t1Kt1—为进气温度
kg/m3
则实际风量为：
m3/h
C0—孔流系数，=0.9
A0—孔面积，=1.518×
104m2，do=0.0139m
ΔP2—孔板压差，Pa
管内空气的质量流量为：
G=V1ρ1kg/s
2）管内雷诺数Re的计算
因为空气在管内流动时，其温度、密度、风速均发生变化，而质量流量却为定值，因此，其雷诺数计算按下式进行：
上式中的物性数据μ可按管内定性温度t定=（t2+t4）/2求出。
3）热负荷计算
套管换热器在管外蒸汽和管内空气的换热过程中，管外蒸汽冷凝释放出潜热传递给管内空气，我们以空气为恒算物料流进行换热器的热负荷计算：
根据热量衡算式：
q=GcpΔt
Δt——空气的温升Δt=t4t2oC
cp——定性温度下的空气恒压比热[kJ/kgK]
G——空气的质量流量[kg/s]
管内定性温度t定=（t2+t4）/2
4）α测定、努塞尔特准数Nu测定值
又由传热速度方程：
q=αiAΔtm
式中：
A——管内表面积A=πdiL[m2]di=18mmL=1000mm
Δtm——管内平均温度差
5）α经验计算、努塞尔特准数Nu计算值：
上式中的物性数据λ，Pr均按管内定性温度求出。
2、管外α的测定计算
1）管外α测定值
已知管内热负荷q
管外蒸汽冷凝传热速率方程为：
q=αoAΔtm
A—管外表面积A=πdoL[m2]do=22mm，L=1000mm
Δtm——管外平均温度差
2）管外α的计算值
根据蒸汽在单根水平圆管外按膜状冷凝传热膜系数计算公式计算出：
上式中有关水的物性数据均按管外膜平均温度查取。
3、总传热系数K的测定
1）K测定：
已知管内热负荷q，又据总传热方程：
q=KAΔtm
A—管外表面积A=doπL[m2]
2）K计算：
（以管外表面积为基准）
Ri，Ro——管内外污垢热阻，可忽略不计。
λ——铜导热系数380[W/m2K]
由于污垢热阻可忽略，而铜管管壁热阻也可忽略（铜导热系数很大且铜壁不厚，若同学有兴趣完全可以计算出来此项比较），上式可简化为：
三、实验装置、流程及操作说明
1、传热装置
双套管传热实验流程图
温度：
t1—风机出口气温（校正用）；
t12—光滑管进气温度t22—螺纹管进气温度
t13—光滑管进口截面壁温t23—螺纹管进口截面壁温
t14—光滑管出气温度t24—螺纹管出气温度
t15—光滑管出口截面壁温t25—螺纹管出口截面壁温
t6—蒸汽发生器内水温=管外蒸汽温度
说明1：
因为蒸汽与大气相通，蒸汽发生器内接近常压，因此t6也可看作管外饱和蒸汽温度。
压力：
PI1蒸汽发生器压力（控制蒸气量用），PI2进气压力传感器（校正流量用）；
压差：
DP1孔板流量计差压传感器；
阀门：
V1-放空阀，V2-螺纹管冷空气进口阀，V3-光滑管冷空气进口阀，
V4-螺纹管蒸汽进口阀，V5-光滑管蒸汽进口阀，V6-加水口阀门，
V7-蒸汽发生器排水口阀门，V8-液封排水口阀门。
说明2：
风机启动时，必须保证V1是全开状态，V2或V3有一个是全开，一个是全关闭。
加热启动时，必须保证V4或V5有一个是全开，一个是全关闭。
2、流程说明
本装置主体套管换热器内为一根紫铜管，外套管为不锈钢管。
两端法兰连接，外套管设置有两对视镜，方便观察管内蒸汽冷凝情况。
管内铜管测点间有效长度1000mm。
下套管换热器内有弹簧螺纹，作为管内强化传热与上光滑管内无强化传热进行比较。
空气由风机送出，经孔板流量计后进入被加热铜管进行加热升温，自另一端排出放空。
在进出口两个截面上铜管管壁内和管内空气中心分别装有2支热电阻，可分别测出两个截面上的壁温和管中心的温度；
一个热电阻t1可将孔板流量计前进口的气温测出，另一热电阻可将蒸汽发生器内温度t6测出，其分别用1、2、3、4、5、6来表示，如图示。
蒸汽来自蒸汽发生器，发生器内装有两组2kW加热源，由调压器控制加热电压以便控制加热蒸汽量。
蒸汽进入套管换热器的铜管外套，冷凝释放潜热，为防止蒸汽内有不凝气体，本装置设置有放空口，不凝气体排空，而冷凝液则回流到蒸汽发生器内再利用。
3、设备仪表参数
套管换热器：
内加热紫铜管：
22×
2mm，有效加热长1000mm
外抛光不锈钢套管：
100×
2mm
旋涡气泵：
风压18kPa，风量140m³
/h，750W
蒸汽发生器：
容积20L，电加热：
4kW
操作压力：
常压（配0-2500Pa压力传感器）
孔板流量计：
DN20标准环隙取压，m=（12.65/20）2=0.4，C0=0.9
热电阻传感器：
Pt100
差压压力传感器：
05kPa
本实验消耗和自备设施：
电负荷：
2.75kW
四、实验步骤
1、实验前准备工作
1）检查水位。
通过蒸汽发生器液位计观察蒸汽发生器内水位是否处于液位计的7080%，少于7080%需要补充蒸馏水；
通过加水口，开启V6，补充蒸馏水。
检查安全水封内水位是否能达到70%80%，少于70%80%需要补充蒸馏水。
2）检查电源。
检查装置外供电是否正常供电（空开是否闭合等情况）；
检查装置控制柜内空开是否闭合（首次操作时需要检查，控制柜内多是电气原件，建议控制柜空开可以长期闭合，不要经常开启控制柜）；
3）启动装置控制柜上面“总电源”和“控制电源”按钮，启动后，检查触摸屏上温度、压力等测点是否显示正常；
是否有坏点或者显示不正常的点；
4）检查阀门。
风机放空阀V1是否处于全开状态；
若先作上边光滑管，则V3全开、V5全开，其它阀门关闭；
2、开始实验
光滑管实验
1）蒸汽发生器加热时间较长，同时启动触摸屏面板上面的“固定加热”按钮和“调节加热”按钮，并点击蒸汽发生器“SV__%功率”数值，打开“压力控制设置面板”，如显示“功率模式”，直接点击“功率定值”数值，打开数值设定窗口，设定100，如打开“压力控制设置面板”当前显示“压力模式”，则点击“压力模式”，切换到“功率模式”，操作步骤同功率模式；
2）当t6≥98oC时，关闭“固定加热”，点击“泵启动”启动气泵开关，并点击蒸汽发生器“SV__%功率”数值，打开“压力控制设置面板”，设置为“压力模式”，点击“压力定值”数值，打开数值设定窗口，设定1.0~1.5kPa（建议1.0kPa），调节放空阀V1控制风量至预定值，当t6≥98oC时，稳定约2分钟时间，即可记录数据。
建议风量调节按如下孔板压差计DP1[kPa]显示记录：
0.4、0.5、0.7、0.9、1.1、1.4、1.7、2.0[kPa]共810个点即可。
切换阀门进行螺纹管实验
1）阀门切换
蒸汽转换：
全开V4关闭V5；
风量切换：
全开V1，全开V2，关闭V3。
2）当t6≥98oC时，调节放空阀V1控制风量至预定值，当t6≥98oC时，稳定约2分钟时间，即可记录数据。
0.4、0.5、0.7、0.9、1.1、1.4、1.7、2.0[kPa]共810个点即可。
3）实验结束时，点击“调节加热”按钮，使其关闭。
开启V1放空阀，最后点击“泵启动”关闭气泵电源，关闭装置外供电。
如长期不使用需放净蒸汽发生器和液封中的水，并用部分蒸馏水冲洗蒸汽发生器23次，保持装置净度。
五、注意事项
1、在启动风机前，应检查三相动力电是否正常，若缺相，及易烧坏电机；
为保证安全，检查接地是否正常；
2、每组实验前应观察蒸汽发生器内合适的水位，水位过低或无水，电加热一定会烧坏。
因为电加热是湿式，严禁干烧。
3、长期不用时，应将设备内水放净。
4、使用前，可用部分蒸馏水冲洗蒸汽发生器23次。
5、严禁学生进入操作面板后，以免发生触电。
六、思考题
1、为什么向电加热釜中加水至液位计液面应处于液位计的7080%？
2、光滑管和螺纹管的给热系数，哪种管的传热效率高？
3、如何确定螺纹列管式换热器的传热面积？
4、什么情况下用双对数坐标系作图？
5、气-汽换热的结果是什么？
6、当空气流速增大时，空气离开热交换器时的温度是升高还是降低？
7、准数关联式Nu=ARemPr0.4应用范围？
8、实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响?
9、螺纹管传热效率高的原因？
10、蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响、应采取什么措施？
11、实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？
如何及时排走冷凝水？
12、实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧还是冷流体侧温度？
为什么？
传热系数K接近于哪种流体的？
13、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？
七、实验报告
表1原始数据：
管内径=18mm管外径=22mm管长1000mm大气压=101325Pa
No
流量计前风压
P2
kPa
流量计前风温
t1
oC
孔板
压差
DP
进口
风温
t12
出口
壁温
t13
t14
t15
蒸汽
温度
t6
1
2
3
4
5
6
7
8
表2计算结果
管内有关计算结果
管外
总
Re
α测
W/（m2·
K）
Nu测
α计
Nu计
K测
K计
…
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