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化工原理传热实验书
化工原理实验
螺旋线圈强化传热特性及适宜操作Re数的研究
姓名:
段鑫焱
学号：
0802316
学院：
生物科学与工程学院
班级：
生物工程（3）班
同组人：
林森杨佳伟张宏吴荣德
指导老师：
叶长燊
实验时间：
2004年5月29日
螺旋线圈强化传热特性及适宜操作Re数的研究
段鑫焱
（福州大学生物科学与工程学院350002）
摘要:
本文通过对普通套管换热器和强化套管换热器传热膜系数α2的测定,归纳出流体在圆形直管中作强制湍流时的对流传热系数的准数关联式Ｎｕ=ＡＲeｍ。
比较普通套管换热器和强化套管换热器的强化效果与管内流体阻力的增大所带来的投资费用和使用费用变化来讨论强化传热的适宜操作的Re数和最佳Re数，来评价强化传热的有效性。
关键词：
螺旋线圈套管换热器 传热膜系数α2强化传热 适宜操作的Re数
螺旋线圈可以在阻力增加不大的情况下使传热得到较大的增加，同时由于其简便易行、成本低廉、拆装方便，消除积灰等优点，使其成为现有锅炉改造和设计工程中最有希望的强化方式。
然而到目前为止，国内外还缺乏这种插入件的系统研究。
随着世界能源的缺乏与能源价格的不稳定性，选用在能满足生产要求的前提下具有经济合理、性能价格比高的换热器在化工、石油等工业生产过程中是考虑的第一因素。
因此对强化传热技术进行正确的技术经济评价，对强化传热技术的推广及合理使用有很重要的意义。
1.实验部分：
1.1实验原理
对于流体在圆形直管中作强制湍流的对流传热系数的准数关联式可以表示为：
Ｎu=CRemPrn
系数C与指数和n则需要由实验加以确定。
对于气体，Pr基本上不随温度而变，可视为一常数，因此，式
（1）可简化为：
Ｎu=ARem
式中：
Ｎｕ=α2ｄ/λＲe=ｄuρ/μ
本实验是蒸汽加热空气，故ｎ＝0.4。
所以
Ｎu=CRemPr0.4
log（Ｎu/Pr0.4）=mlogRe+logC
则实验的关键在于α2的求取,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、外壁温与壁面的平均温度近似相等,污垢热阻很小，可略去不计,从而可近似为：
1/Ｋ=1/α2×（ｄ1/ｄ2）
实验前要对实验的点进行分割，本次实验要求测量8个点，实验点的分割点由
Xi+1=（Xmax/Xmin）1/（n-1）Xi
X1=XminX2=（Xmax/Xmin）1/（n-1）X1……
1.2实验方法
1.2.1实验流程（图1）
主要操作步骤如下：
（1）作好实验前的准备。
（2）加热10分钟,启动鼓风机,保证空气入口温度ｔ1比较稳定。
（3）调节空气流量旁路阀的开度,使压差计读数为所需的空气流量值。
（4）稳定5-8分钟左右读取压差计读数△Ｐ,以及转动各仪表选择开关读取ｔ1、ｔ2、Ｅ值。
重复以上步骤,共测定7个空气流量值下的7组数据。
（5）转换支路,用上述方法做强化套管换热器实验。
1.2.2实验装置的主要参数（表1）
实验内管内径d2（mm）
19.25
实验内管内径d1（mm）
22.01
实验内管内径D2（mm）
50
实验内管内径D1（mm）
52.5
总管长（紫铜内管）L（m）
1.30
测量段长度l（m）
1.00
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（V）
≤200
操作电流（A）
≤10
1.3试验数据处理公式
空气流量和流速孔板流量计为非标准设计,故需进行整体校正,得到空气流量计Vt1（m3/h）与压差之间的关系为：
Ｖt1=23.80×（ΔP/ρt1）1/2
空气流量V（m3/h）的计算式为：
Ｖ=Ｖt1×（273＋t平均）/（273+t1）
空气的流速：
ｕ=Ｖ×3.14×ｄ2×10-3
管外壁面平均温度ＴＷ（℃）Tw（℃）=8.5+21.26×E（mv）
最佳操作Re数的确定：
A=πd1lJ=3.6ChQTh-10-3CeNeTh/ηf（元/年）
Ne=ΔpfＶs（w）Q=KAΔtm=πλlΔtmＮｕ（w）
Ch=8.12×10-6元/KJCe=0.4元/Kw.hηf=0.85
空气密度（kg/m3）：
ρ＝1.2916－0.0045t+1.05828×10－5t2（0℃≤t≤100℃）
空气比热（kJ/kg•℃）：
Ｃｐ＝1.00492－2.88378×10－5t＋8.88638×10－7t2－1.36051×10－9t3＋9.38989×10－13t4－2.57422×10－16t5（0℃≤t≤100℃）
空气粘度（Pa。
s）：
μ＝1.71692×10－5＋4.96573×10－8t－1.74825×10－11t2（0℃≤t≤100℃）
空气导热系数（ｗ/ｍ2·℃）λ＝0.02437＋7.83333×10－5t－1.51515×10－8t2（0℃≤t≤100℃）
局部阻力损失△Pf：
△Pf＝ζρｕ2/2＝λlρｕ2/（2d2）λ普通＝0.184Re－0.2
λ强化＝18.053Re－0.415（d0/d2）0.531（s/d2）-0.354
2.数据处理与实验结果讨论
2.1实验原始数据以及处理结果：
2.1.1普通管数据表格
表2普通管原始数据
进口温度t1/℃
出口温度t2/℃
孔板压差ΔP/kPa
热电势E/mv
40.6
71.3
0.83
4.20
40.9
70.7
1.07
4.20
41.5
70.3
1.35
4.20
42.2
70.0
1.72
4.19
43.7
70.1
2.17
4.19
45.3
70.3
2.76
4.19
47.8
71.2
3.48
4.19
50.1
71.9
4.24
4.19
由普通管原始数据和查出的物性参数，根据实验数据处理公式计算出中间数据，和实验的整理数据，如下表：
表3普通管物性数据表格
密度ρt
（kg/m3）
定压比热Cp
（kJ/kg•℃）
粘度μ•10-5
（Pa•s）
传热系数λ•102
（W/（m2•℃））
1.073
1.006
1.989
0.02871
1.073
1.006
1.989
0.02869
1.073
1.006
1.989
0.02870
1.072
1.006
1.990
0.02872
1.070
1.006
1.994
0.02878
1.067
1.006
1.998
0.02885
1.061
1.006
2.006
0.02898
1.056
1.006
2.013
0.02909
表4普通管中间数据
壁温Ts（℃）
Δtm（℃）
t平均
（℃）
流量Vs（m3/h）
流速u（m/s）
质量流速ms•10-2（kg/s）
传热热量Q（kJ）
总传热系数K（W/（m2•℃））
97.8
39.9
56.0
21.43
20.45
0.639
0.1972
71.54
97.8
40.2
55.8
24.31
23.20
0.725
0.2173
78.27
97.8
40.2
55.9
27.29
26.04
0.813
0.2356
84.84
97.6
39.9
56.1
30.79
29.38
0.917
0.2565
93.06
97.6
39.2
56.9
34.58
33.01
1.028
0.2729
100.7
97.6
38.4
57.8
39.01
37.23
1.156
0.2908
109.5
97.6
36.8
59.5
43.86
41.86
1.293
0.3044
119.5
97.6
35.5
61.0
48.46
46.26
1.422
0.3120
127.3
表5普通管整理数据表格
对流传热系数α2
（W/（m2•℃））
普朗特准数Pr
努塞尔特Nu
雷诺数Re
Nu/Pr0.4
81.80
0.6971
54.85
21237
63.37
89.49
0.6971
60.04
24110
69.36
97.01
0.6971
65.06
27050
75.17
106.4
0.6971
71.32
30484
82.40
115.2
0.6969
77.03
34094
89.00
125.2
0.6968
83.52
38271
96.50
136.7
0.6965
90.80
42633
104.9
145.5
0.6963
96.28
46724
111.3
2.1.2强化管数据表格
表6强化管原始数据表格
进口温度t1/℃
出口温度t2/℃
孔板压差ΔP/kPa
热电势E/mv
43.8
82.7
0.67
4.13
43.0
81.9
0.85
4.10
42.7
81.2
1.08
4.13
42.2
80.2
1.37
4.13
43.2
80.0
1.74
4.13
44.6
80.0
2.20
4.13
46.6
80.3
2.79
4.13
49.9
81.4
3.55
4.13
由强化管原始数据和查出的物性参数，根据实验数据处理公式计算出中间数据，和实验的整理数据，如下表：
表7强化管中间数据表格
壁温Ts（℃）
Δtm
（℃）
t平均
（℃）
流量Vs
（m3/h）
流速u
（m/s）
质量流速ms•10-2（kg/s）
传热热量Q（kJ）
总传热系数K
（W/（m2•℃））
95.88
28.8
63.3
19.58
18.69
0.571
0.2234
112.2
95.88
29.7
62.5
22.03
21.03
0.644
0.2520
122.6
95.67
30.4
62.0
24.81
23.68
0.726
0.2812
133.9
95.67
31.4
61.2
27.90
26.63
0.818
0.3129
144.4
95.67
31.2
61.6
31.43
30.00
0.921
0.3410
158.3
95.67
30.7
62.3
35.34
33.73
1.033
0.3680
173.6
95.45
29.7
63.5
39.81
38.00
1.160
0.3933
191.4
95.88
27.7
65.7
44.98
42.93
1.302
0.4126
215.3
表8强化管物性数据表格
密度ρt
（kg/m3）
定压比热Cp
（kJ/kg•℃）
粘度μ•105
（Pa•s）
传热系数λ•102
（W/（m2•℃））
进口密度ρ
（kg/m）
1.049
1.006
2.024
0.02926
1.088
1.052
1.006
2.020
0.02920
1.105
1.053
1.006
2.018
0.02916
1.110
1.056
1.006
2.014
0.02911
1.116
1.054
1.006
2.016
0.02914
1.121
1.052
1.006
2.020
0.02919
1.126
1.049
1.006
2.025
0.02928
1.130
1.042
1.006
2.035
0.02945
1.117
表9强化管整理数据表格
对流传热系数α2
/W/（m2•℃）
普朗特准数Pr
努塞尔特Nu
雷诺数Re
Nu/Pr0.4
128.3
0.6960
84.43
18654
97.60
140.2
0.6961
92.44
21077
106.8
153.1
0.6962
101.0
23797
116.8
165.1
0.6963
109.2
26872
126.2
181.0
0.6962
119.6
30208
138.2
198.5
0.6961
130.9
33836
151.3
218.8
0.6960
143.9
37883
166.3
246.1
0.6957
160.9
42295
186.0
2.2实验数据分析与讨论417071
2.2.1误差分析
根据实验所测得的数据以及计算出的实验普通管，经验式和强化管的数据作logRe和log（Nu/Pr0.4）得关系图（图2）
根据图2用oringin软件回归出的线性方程为：
普通普通管Ｙ=0.7182x-1.3058，经验公式Ｙ=0.8x-1.6383，实验强化管Ｙ=0.7715x-1.3098，换算为Nu-Re关系式为：
普通管Ｎu=0.04945Re0.7182Pr0.4，强化管Ｎu=0.04900Ｒe0.7715Pr0.4。
根据具体的Re数利用回归出来的方
图2程，分析实验普通管与经验管的误差：
表10普通管误差分析表
Ｒｅ
Ｎｕ实验
Ｎｕ经验
误差％
21237
54.85
57.64
4.88
24110
60.04
63.80
5.94
27050
65.06
69.95
7.03
30484
71.32
76.96
7.38
34094
77.03
84.17
8.52
根据图和表格分析，实验的数据误差还是比较大的，我比较了普通管的数据与强化管的数据发现m值0.04945与0.4900相差并不是很多，在实验中我们的读数都是等到稳定的时候才确定的，于是我觉得误差应该是来自实验装置本身。
2.2.2强化传热特性分析
由实验回归出的线性方程取具体的Re，Pr分析强化管的传热效果。
表11强化管传热特性分析
Re
Pr
Nu/w
强化效果%
阻力降
阻力增加量%
普通管
强化管
普通管
强化管
21237
0.6971
54.85
92.44
40.66
292.5
540.8
45.92
24110
0.6971
60.04
101.9
41.11
367.1
660.4
44.42
27050
0.6971
65.06
111.4
41.60
451.9
793.2
43.03
30484
0.6970
71.32
122.2
41.62
561.2
960.1
41.55
34094
0.6969
77.03
133.2
42.16
690.8
1154
40.12
38271
0.6968
83.52
145.6
42.63
856.6
1395
38.62
42633
0.6965
90.80
158.2
42.61
1054
1678
37.17
46724
0.6963
96.28
169.8
43.29
1258
1963
35.92
表12强化管与普通管的传热效果对比
雷诺数Re×10－4
α2（W/（m2•℃）
Nu
传热效果提高%
普通管
强化管
普通管
强化管
普通管
强化管
α2
Nu
21237
18654
81.80
128.3
54.85
84.43
56.91
53.91
24110
21077
89.49
140.2
60.04
92.44
56.70
53.97
27050
23797
97.01
153.1
65.06
101.0
57.81
55.30
30484
26872
106.4
165.1
71.32
109.2
55.15
53.07
34094
30208
115.2
181.0
77.03
119.6
57.18
55.24
38271
33836
125.2
198.5
83.52
130.9
58.60
56.72
42633
37883
136.7
218.8
90.80
143.9
60.10
58.45
46724
42295
145.5
246.1
96.28
160.9
69.17
67.12
通过对实验数据以及根据实验数据作出的图2和表11，表12的分析，说明插入螺旋线圈有效地强化了管内传热。
但从实验结果看，采用螺旋线圈管强化传热时，阻力也明显上升。
由此可见，管内换热的强化是以阻力增加为代价的。
由于传热管内螺旋槽的存在，流体流过螺旋管时产生涡流和旋转，这种附加的螺旋运动产生两方面的影响：
一方面可以削弱层流底层的厚度，提高了传热速率；另一方面，也造成流体能量损失，使螺旋管阻力较普通管有较大的增加，这是不利的，也是不可避免的。
在实验范围内，传热增强150%-170%，阻力系数增加达140%-160%。
同时还可以看出在Re数较低（Ｒe为1.9×10-4-2.7×10-4）的范围内,传热效果提高最明显，阻力降不是很明显，但达一定值后又随着Ｒｅ增加而减小，阻力增加的很快，这主要是由于流体已充分扰动，此时螺旋线圈的扰动作用已不占主导地位的缘故。
2.2.3适宜操作Re的确定
在实际工程应用中，总期望传热设备的传热量尽可能大，阻力尽可能小。
通过分析强化管的传热特性，知道Re数较低时传热效果提高最明显，且阻力降的增加量也不是很明显，而随着Ｒe增加，阻力增加的也很快。
于是需要一个评估传热与流阻性能的综合判据来判断强化管最佳操作Re数。
由实验的数据和数据处理公式处理得出Re数与J的数据关系（表13）
雷诺数Re×10－4
J（元/年）
普通管
强化管
普通管
强化管
21237
18654
43.33
46.77
24110
21077
45.42
50.34
27050
23797
46.22
52.74
30484
26872
45.89
53.98
34094
30208
42.53
51.75
38271
33836
36.19
46.12
42633
37883
25.00
35.31
46724
42295
10.079
16.18
图3
表13适宜操作Re数与J关系根据左边的数据作Re数与J的曲线（图3）
根据图3回归出的方程为:
普通管y=-1.43742×10-7X2+0.00752X-44.09304
强化管y=-9.93648-8X2+0.00549X-28.99596
分别对y求导可得：
普通管dy/dX=0.00752-2×10-7X=0得普通管最佳操作Re数：
Reopt=37600
强化管dY/dX=0.00549-2×10-7X=0得强化管最佳操作Re数：
Reopt=27450
联立y=-1.43742×10-7X2+0.00752X-44.09304
y=-9.93648×10-8X2+0.00549X-28.99596
得临界操作Re数：
Rec1=36397，Rec2=9347
在不小于Rec2，不大于Rec1情况下传热装置的操作都可以取得比较好的经济效益。
即本实验装置的操作Re数在9347-36397之间。
由此可见在低Re数的情况因为其作的不是湍流，强化传热的经济效益也不好，作湍流时在Re数太大的情况经济效益也不好，所以在试剂操作过程中，为了取得最大的经济效益，对Re数要作适宜的计算。
2.2.4强化传热的措施
从实验结果可知，要强化传热，关键要找出影响传热的主要因素。
由传热方程Ｑ=ＫＡ△ｔｍ不难看出，影响传热的因素有：
传热系数Ｋ、传热面积Ａ及平均温度差△ｔｍ。
在换热器的研究、设计和使用操作中，大多从这三方面来考虑强化传热过程。
现分述于下：
2.2.4.1扩大传热面积A
传热面积的增大,显然可以提高传热速率，但是扩大传热面积不应靠加大设备的尺寸来实现，而应从设备的结构来考虑，用最少的材料费取得最大的传热量。
一般通过下列途径来增加单位体积设备的有效传热面积：
采用合适的内外导流筒结构,最大限度地消除管壳式换热器挡板处的传热不活跃区；热传递面采用扩展表面，如在对流传热系数较小一侧的热传递基本面上附加翅片、筋片、销钉等;提高原有热传递表面,如将表面处理成憎水性的覆盖层、多孔性的覆盖层、双波纹状管等；采用螺旋式、板式等结构紧凑的新型换热器。
2.2.4.2增大传热温差Δtm
增大传热平均温度差△ｔｍ。
传热平均温度差的大小主要由冷热两种流体的温度条件所决定。
一般已为生产条件所确定。
当换热器中两流体均无相变时,应尽可能采用逆流或接近逆流的相对流向以获得较大的传热温差。
2.2.4.3提高总传热系数K
提高总传热系数K是当今传热强化研究的重点,从计算式：
1/Ｋ=1/α1+Ｒs1+ｂ×ｄ1/（λ×ｄm）+Ｒs2×ｄ1/ｄ2+1/α2×（ｄ1/ｄ2）
可知由于各项热阻所占比例不同,应该设法减小其中的关键热阻。
在换热设备中，金属壁面一般较薄且导热系数高，故其热阻一般不会成为关键热阻。
要提高总传热系数K，就必须减小各项热阻,故大多针对1/α1、Ｒs1、Ｒs2和1/α2采取有效措施，以达到减小热阻，提高传热效率之目的。
常见的手段有：
1）减小污垢热阻：
传热设备在运行过程中，热传递表面常有污垢积存对传热产生附加热阻，导致传热速率降低，大多学者认为其总传热系数下降的幅度在30%以上，由此引起设备寿命周期费用显著增大，造成巨大的经济损失。
污垢热阻是一个可变因素。
换热器刚使用时污垢热阻很小,不可能成为关键热阻。
随着使用时间增加,污垢热阻逐渐加大,有可能成为关键热阻,这时应考虑清除污垢。
清除污垢的方法有机械方法、化学方法和物理方法。
对于具体的传热设备、应根据设备的结构和材质、污垢种类、流体性质、使用条件等因素来选择合适的除垢方法。
2）改进管子排列方式，提高介质流速，增强流体湍流程度以减小层流底层的厚度或在某些高粘度流体中加入减粘剂，或在介质中加入与其互不相溶的表面活性物质等。
如增加管式换热器的管程数和壳体中的挡板数，可分别提高管程和壳程流体的流通。
3）增加流体的扰动，以减小层流底层的厚度。
如将板式换热器的板面压制成凹凸不平的波面采用螺旋板式换热器，改变流通截面，应用新型壳程折流支承结构，利用扰动促进物或将热传递表面特制成粗糙表面等均有增加流体湍流程度，扰动和破坏层流底层的作用。
4）利用传热进口段换热较强的特点，采用短管换热器、板翅式换热器的锯齿形翅片，不仅可增加流体的扰动而且由于换热器流道短，边界层厚度小，因而使对流传热强度加大。
3.结语：
螺旋管可以提高湍流的脉动性，减小层流底层，使总的传热系数较光管由很大的提高，从而达到强化传热的目的。
通过对实验数据进行分析，得到如下结论：
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