气气传热综合实验操作讲义.docx
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气气传热综合实验操作讲义
气—气传热综合实验讲义
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
m0.4
中常数A、m的值；
2．通过对管程内部插有螺旋线圈和采用螺旋扁管为内管的空气—水蒸气强化套管换热器的
m
传热的基本理论和基本方式；
3．了解套管换热器的管内压降∆p和Nu之间的关系；
二、实验内容：
实验一：
①测定5~6个不同流速下简单套管换热器的对流传热系数αi。
m0.4
③测定5~6个不同流速下简单套管换热器的管内压降∆p1。
实验二：
①测定5~6个不同流速下强化套管换热器的对流传热系数αi。
m
③测定5~6个不同流速下强化套管换热器的管内压降∆p2。
并在同一坐标系下绘制普通管
∆p1~Nu与强化管∆p2~Nu的关系曲线。
比较实验结果。
④同一流量下，按实验一所得准数关联式求得Nu0，计算传热强化比Nu/Nu0。
三、实验原理
实验一普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定
1.对流传热系数αi的测定
对流传热系数αi可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。
αi＝
Qi
∆tm⨯Si
（2-1）
2
Qi—管内传热速率，W；
2
∆tmi—内管壁面温度与内管流体温度的平均温差，℃。
平均温差由下式确定：
∆tmi=tw-（）（2-2）
2
式中：
ti1，ti2—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：
Si=πdiLi（2-3）
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：
Qi=Wicpi（ti2-ti1）（2-4）
其中质量流量由下式求得：
Wi=（2-5）
3600
3
cpi—冷流体的定压比热，kJ/（kg·℃）；
3
cpi和ρi可根据定性温度tm查得，tm=为冷流体进出口平均温度。
ti1、ti2、
2
tw、Vi可采取一定的测量手段得到。
式中：
αi—管内流体对流传热系数，W/（m·℃）；
Si—管内换热面积，m；
ti1+ti2
Viρi
式中：
Vi—冷流体在套管内的平均体积流量，m/h；
ρi—冷流体的密度，kg/m。
ti1+ti2
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，处于被加热状态，准数关联式的形式为
m
（2-6）
λi
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：
m0.4
i
通过实验确定不同流量下的Rei与Nui，然后用线性回归方法确定A和m的值。
实验二、强化套管换热器传热系数及其准数关联式及强化比的测定
强化传热又被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设计的传热面积，以减小换热器
的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少
换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。
强化传热的方法有多种，
本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热。
螺旋线圈的结构图如图2-1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的比值为主要技术参数，且节距与管内径
m
经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。
Nui=AReiPrin.
其中：
Nui=，Rei=iii，Pr=
Nui=AReiPr
（2-7）
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Nu=BRe的
图2-1螺旋线圈强化管内部结构
在本实验中，采用实验2-1中的实验方法确定不同流量下的Rei与Nui，用线性回归方法
可确定B和m的值。
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：
NuNu0，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NuNu0＞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，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，只有强化比高且阻力系数小的强化方式，才是最佳的强化
方法。
四、实验装置与流程
1．实验流程图及基本结构参数：
如图2-2所示，实验装置的主体是两根平行的套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不
锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。
实验的蒸汽发生釜为电加热釜，内有2根2.5kW螺旋形电
加热器，用200伏电压加热（可由固态调压器调节）。
空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调
节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器。
管程蒸汽由加热釜发生后自
然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，由另一端蒸汽出口自然喷出，达到逆流换
热的效果。
20
21
东
图2-2空气-水蒸气传热综合实验装置流程图（A型）
实验装置：
1—普通套管换热器；2—内插有螺旋线圈的强化套管换热器；3—蒸汽发生器；４—旋涡气泵；
5—旁路调节阀；6—孔板流量计；7、8、9—空气支路控制阀；10、11—蒸汽支路控制阀；
12、13—蒸汽放空口；14—传热系数分布实验套盒（本实验不使用）；
15—紫铜管；16—加水口；17—放水口；18—液位计；
19—热点偶温度测量实验测试点接口；20—普通管测压口；21—强化管测压口
2．实验的测量手段
1）空气流量的测量
空气主管路由孔板与差压变送器和二次仪表组成空气流量计，孔板流量计为标准设计，
其流量计的计算式为：
∆P
ρt0
式中：
∆P—孔板流量计两端压差，KPa；
t0—流量计处温度（本实验装置为空气入口温度），℃；
ρt0—t0温度下的空气密度，kg/m3；
实验装置结构参数见下面说明：
东
实验内管内径di（mm）
第①~④套16
第⑤~⑧套20
实验内管外径d0
第①~④套17.92
第⑤~⑧套22
实验外管内径Di（mm）
20
实验外管外径D0（mm）
22
总管长（紫铜内管）L（m）
1.20
测量段长度l（m）
1.20
加热釜
操作电压
≤200伏
操作电流
≥200伏
Vt0=23.8*
东
由于被测管段内温度的变化，还需对所测得体积流量进行进一步的校正：
（2-8）
273+t0
3
2）温度的测量
实验中壁面温度是用铜-康铜热电偶测量的，温度与热电势的关系为：
T（℃）=1.2705+23.518×E（mv）（2-9）
冷流体进出口温度是用Cu50热电阻温度计测量得到的。
五、注意事项
1．由于采用热电偶测温，所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存。
检查热电偶的冷
端，是否全部浸没在冰水混合物中。
2．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。
3．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，两蒸汽支路控制阀（见图2-2）
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，且开启和关闭控制
阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。
4．必须保证空气管线的畅通。
即在接通风机电源之前，三个空气支路控制阀之一和旁路调节
阀（见图2-2所示）必须全开。
在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。
5．调节流量后，应至少稳定5~10分钟后读取实验数据。
6．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。
六、实验报告
1．实验一的原始数据表、数据结果表（换热量、传热系数、各准数以及重要的中间计算结
果）、准数关联式的回归过程、结果与具体的回归方差分析，并以其中一组数据的计算举例。
2．实验二的原始数据表、数据整理表（换热量、传热系数、各准数、Nu0和强化比，还包括
重要的中间计算结果）、准数关联式的回归结果。
3．在同一双对数坐标系中绘制实验一、实验二的Nu~Re的关系图。
4．在同一坐标系中绘制实验一、实验二的东P~Nu的关系图。
Vi=Vt0⨯
273+tm
Vt0—冷流体进入换热器时的体积流量，m/h；
5．对实验结果进行分析与讨论。
七、实验步骤
传热实验仿真主要设备介绍图如下图2-3所示：
真
仿传热实验仿真设备介绍图真
普通套管实验操作：
⑴检查水槽液位计，若发现水量较少，打开注水阀VA102，补充水量至2/3处；
⑵打开连通阀VA101，使水槽与蒸汽发生器相通；
⑶打开普通套管蒸汽开关阀VA104，确保蒸汽管路畅通；
⑷打开电源总开关，启动蒸汽发生器开关，加热蒸气；
⑸等待若干秒，待水蒸气进入套管换热器外管，当蒸气排出口有恒量蒸汽排出时，标志实验
可以开始；
⑹打开漩涡风机旁路阀VA106至最大；
⑺打开普通套管空气开关阀VA107，确保空气管路畅通；
⑻启动漩涡风机开关；
⑼通过调节漩涡风机旁路阀VA106的开度，调节流量所需值，待数值稳定后，到“实验数据
一”面板点击“普通套管数据记录”按钮，记录实验数据至“实验报表”
⑽按照阀门VA106开度由大到小的顺序，记录5~6组实验数据
强化套管实验操作：
⑾关闭风机电源；
图2-3
⑿缓慢开启强化管道蒸汽开关阀VA105，再关闭普通套管蒸汽开关阀VA104，使强化管路蒸
汽畅通；待蒸气排出口有恒量蒸汽排出，标志强化套管传热实验可以开始；
⒀将漩涡风机旁通阀VA106开至最大，接通漩涡风机开关；
⒁调节漩涡风机旁通阀VA106的开度，调节流量至所需值，带数值稳定后，倒“实验数据二”
面板点击“强化套管数据记录”按钮，记录实验数据至“实验报表”
⒂按照阀门VA106开度由大到小的顺序，记录5~6组实验数据
⒃关闭蒸汽发生器加热电源，待蒸气放空口没有蒸汽逸出，将漩涡风机旁通阀VA106至全开，
并关闭漩涡气泵开关，关闭总电源开关
⒄实验结束
参数设置：
到“参数设置”面板，改变强化套管、普通套管的半径、长度、蒸汽温度，重复以上步骤；
八、思考题
1．下列属于传热基本形式有:
A.间壁换热
B.混合换热
C.辐射
答案：
C
2．"热能"总是:
A.由热能高的物体传向热能低的物体
B.由温度高的物体传向温度低的物体
C.由比热大的物体传向比热小的物体
答案：
B
3．间壁换热时,壁温总是:
A.接近温度高的流体
B.接近温度低的流体
C.接近传热系数大的流体
答案：
C
4．在本实验中的管壁温度Tw应接近蒸汽温度，还是空气温度？
可能的原因是：
A.接近空气温度，这是因为空气处于流动状态,即强制湍流状态，a（空气）↑
B.接近蒸汽温度，这是因为蒸汽冷凝传热膜系数，a（蒸）>>a（空）。
C.不偏向任何一边，因为蒸汽冷凝a和空气温度a均对壁温有影响。
答案：
B
5．以空气为被加热介质的传热实验中，当空气流量Va增大时，壁温如何变化？
A.空气流量Va增大时，壁温Tw升高。
B.空气流量Va增大时，壁温Tw降低。
C.空气流量Va增大时，壁温Tw不变。
答案：
B
6．下列诸温度中，哪个做为确定物性参数的定性温度？
A.介质的入口温度
B.介质的出口温度
C.蒸汽温度
D.介质入口和出口温度的平均值
E.壁温
答案：
D
7．管内介质的流速对传热膜系数a有何影响？
A.介质流速u增加，传热膜系数a增加
B.介质流速u增加，传热膜系数a降低
C.介质流速u增加，传热膜系数a不变
答案：
A
8．管内介质流速的改变，出口温度如何变化？
A.介质流速u升高，出口温度t2升高
B.介质流速u升高，出口温度t2降低
C.介质流速u升高，出口温度t2不变
答案：
B
9．蒸汽压强的变化，对a关联式有无影响？
A.蒸汽压强P↑，a值↑，对a关联式有影响
B.蒸汽压强P↑，a值不变，对a关联式无影响
C.蒸汽压强P↑，a值↓，对a关联式有影响
答案：
B
10．改变管内介质的流动方向，总传热系数K如何变化？
A.改变管内介质的流动方向，总传热系数K值增加
B.改变管内介质的流动方向，总传热系数K值减小
C.改变管内介质的流动方向，总传热系数K值不变
答案：
C
九、参考文献
[1]冷士良.化工单元过程及操作.北京：
化学工业出版社，2002
[2]张金利等.化工原理实验.天津：
天津大学出版社，2005
[3]杨祖荣.化工原理实验.北京：
化学工业出版社，2004
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