气汽对流传热综合实验Word格式.docx
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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
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）
1.20
强化内管内插物
（螺旋线圈）尺寸
丝径h（mm）
1
节距H（mm）
40
加热釜
操作电压
≤200伏
操作电流
≤10安
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。
表1实验记录：
光滑管（或强化管）
No.
2
3
4
5
6
流量（Kpa）
t1（℃）进口温度
t2（℃）出口温度
tw（℃）壁温
光滑管
1.55
17.7
51.7
99.3
强化管
1.00
24.7
68.9
99.4
表2数据整理：
t1（℃）
ρt1（Kg/m3）
1.185
t2（℃）
tw（℃）
tm（℃）
34.7
ρtm（kg/m3）
1.141
λtm（×
10-2）
2.71
Cp（tm）
1005
μ
1.88*
t2-t1（℃）
34
（℃）
64.6
Vt1（m3/h）
9.35
V（m3/h）
9.90
u（m/s）
8.75
Q（W）
107
α（W/m2℃）
21.98
Re
10621
Nu
16.22
Pr
0.697
1.405
46.8
1.111
2.80
1.94*
44.2
52.6
8.79
9.44
8.35
129.41
32.65
9564
23.32
0.696
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）
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）
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）
—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=0.014m
-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？
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
=0.40KPa，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
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）
-孔板两端压差，pa
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）
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
=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
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