双套管传热实验讲义.docx
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双套管传热实验讲义
双套管传热实验讲义
2016年5月
双套管传热实验
一、实验目的
1、了解气—汽对流传热的机理；
2、熟悉实验组织流程及各设备（风机、蒸汽发生器、套管换热器）的结构；
3、用实测法和理论计算法给出管内传热膜系数α测、α计、Nu测、Nu计及总传热系数K测、K计的值进行比较；并对光滑管与螺纹管的结果进行比较；
4、在双对数坐标纸上标出Nu测、Nu计与Re关系，学会用最小二乘法回归出Nu测与Re关系，并给出回归的精度（相关系数R）；并对光滑管与螺纹管的结果进行比较；
5、获得K更接近αi或αo的信息，了解给热系数的影响因素和工程上强化传热的措施。
二、实验原理
对于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可以表示成：
（1）
系数A与指数m和n则需由实验加以确定。
当流体被加热时n=0.4，
式中：
通过实验测得不同流速下孔板流量计的压差，空气的进、出口温度和换热器的壁温（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、外壁温度与壁面的平均温度近似相等），根据所测的数据，经过查物性数据和计算，可求出不同流量下的Nu和Re，然后将式
（1）变形
（2）
式
（2）两边同时取对数
（3）
用线性回归方法（最小二乘法）确定关联式（3）中常数A、m的值。
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
式中：
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
式中：
A—管外表面积A=doπL[m2]
Δtm——管外平均温度差
2）K计算：
（以管外表面积为基准）
式中：
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。
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。
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
kPa
进口
风温
t12
oC
出口
壁温
t13
oC
出口
风温
t14
oC
进口
壁温
t15
oC
蒸汽
温度
t6
oC
1
2
3
4
5
6
7
8
表2计算结果
No
管内有关计算结果
管外
总
Re
α测
W/（m2·K）
Nu测
α计
W/（m2·K）
Nu计
α计
α测
K测
W/（m2·K）
K计
W/（m2·K）
W/（m2·K）
1
…
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