热力学实验空气水蒸气传热综合实验套管列管.docx
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热力学实验空气水蒸气传热综合实验套管列管
化工传热方式、传热系数测量综合实验
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
的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。
2.通过对管程内部插有螺旋线圈的空气—水蒸气强化套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数
的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。
3.通过变换列管换热器换热面积实验测取数据计算总传热系数k，加深对其概念和影响因素的理解。
4.认识套管换热器（光滑、强化）、列管换热器的结构及操作方法，测定并比较不同换热器的性能。
二、实验内容：
1.测定5-6组不同流速下简单套管换热器的对流传热系数
。
2.测定5-6组不同流速下强化套管换热器的对流传热系数
。
3.测定5-6组不同流速下空气全流通列管换热器总传热系数k。
4.测定5-6组不同流速下空气半流通列管换热器总传热系数k。
三、实验原理：
1.普通套管换热器传热系数测定及准数关联式的确定：
（1）对流传热系数
的测定：
对流传热系数
可以根据牛顿冷却定律，通过实验来测定。
（1）
（2）
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；
—壁面与主流体间的温度差，℃。
平均温度差由下式确定：
（3）
式中：
t1—冷流体的入口温度，℃；
t2—冷流体的出口温度，℃；
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，由于管外使用蒸汽，所以tw近似等于热流体的平均温度。
管内换热面积：
（4）
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：
（5）
其中质量流量由下式求得：
（6）
式中：
Vi—冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h；
cPi—冷流体的定压比热，kJ/（kg·℃）；
ρi—冷流体的密度，kg/m3。
cPi和ρi可根据定性温度tm查得，
为冷流体进出口平均温度。
t1，t2，tw，Vi可采取一定的测量手段得到。
2.强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定：
强化传热技术，可以使初设计的传热面积减小，从而减小换热器的体积和重量，提高了现有换热器的换热能力，达到强化传热的目的。
同时换热器能够在较低温差下工作，减少了换热器工作阻力，以减少动力消耗，更合理有效地利用能源。
强化传热的方法有多种，本实验装置采用了螺旋线圈的方式进行强化传热的。
螺旋线圈的结构图如图1所示，螺旋线圈由直径3mm以下的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的比值以及管壁粗糙度（
）为主要技术参数，且长径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。
3.列管换热器总传热系数K的计算：
总传热系数k是评价换热器性能的一个重要参数，也是对换热器进行传热计算的依据。
对于已有的换热器，可以通过测定有关数据，如设备尺寸、流体的流量和温度等，通过传热速率方程式计算k值。
传热速率方程式是换热器传热计算的基本关系。
该方程式中，冷、热流体温度差△T是传热过程的推动力，它随着传热过程冷热流体的温度变化而改变。
传热速率方程式
（9）
热量衡算式
（10）
总传热系数
（11）
（12）
式中：
Q--热量（W）；
So--传热面积（m2）；
△Tm--冷热流体的平均温差（℃）；
Ko---总传热系数（W/（m2·℃））；
CP--比热容（J/（kg·℃））；
W--空气质量流量（kg/s）；
T1--空气进口温度（℃）；
T2--空气出口温差（℃）。
列管换热器的换热面积
式中：
d0--列管换热器直径（m）；
Lo--列管长度（m）；
N--列管根数。
四、实验装置的基本情况：
1.实验装置流程示意图：
图2化工传热综合实验装置
1-列管换热器空气进口阀；2-套管换热器空气进口阀；4-压差传感器；6-空气旁路调节阀；7-旋涡气泵；8-储水罐9-排水阀；10-液位计；11蒸汽发生器；12-散热器；13-套管换热器；14-套管换热器蒸汽进口阀；15-列管换热器；16-列管换热器蒸汽进口阀；17-玻璃观察段；18-不凝气放气阀；P1-压差传感器；
图2化工传热综合实验装置面板示意图
2.实验设备主要技术参数：
表1实验装置结构参数
套管换热器实验内管直径（mm）
Φ22×1
测量段（紫铜内管、列管内管）长度L（m）
1.20
强化传热内插物
（螺旋线圈）尺寸
丝径h（mm）
1
节距H（mm）
40
套管换热器实验外管直径（mm）
Φ57×3.5
列管换热器实验内管直径（mm），根数
Φ19×1.5，n=6
列管换热器实验外管直径（mm）
Φ89×3.5
孔板流量计孔流系数及孔径
c0=0.65、d0=0.017m
旋涡气泵
XGB─12型
五、实验操作步骤：
1.实验前的准备及检查工作：
（1）向储水罐8中加入蒸馏水至液位计上端处。
（2）检查空气流量旁路调节阀6是否全开（应全开）。
（3）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（至少有一个换热器的蒸汽进口阀门全开）。
（4）接通电源总闸，设定加热电压。
2.光滑套管实验
（1）准备工作完毕后，打开蒸汽进口阀门14和套管换热器排气阀18，启动仪表面板加热开关，对蒸汽发生器内液体进行加热。
当所做套管换热器内管壁温升到接近100℃并保持5分钟不变时，关闭套管换热器排气阀18，打开阀门2，全开旁路阀6，启动风机开关。
（2）风机启动后，利用用旁路调节阀6来调节流量，调好某一流量后稳定5分钟后，分别记录空气的流量、空气进、出口的温度及壁面温度。
（3）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.强化实验：
全部打开空气旁路阀6，停风机。
把强化丝装进套管换热器内并安装好。
实验方法同步骤2。
4.列管换热器传热系数测定实验：
（1）列管换热器冷流体全流通实验，打开蒸汽进口阀门16和列管换热器排气阀18，当蒸汽出口温度接近100℃并保持5分钟不变时，关闭列管换热器排气阀18，打开阀门1，全开旁路阀6，启动风机，用旁路调节阀6来调节流量，调好某一流量后稳定3-5分钟后，分别记录空气的流量、空气进、出口的温度及蒸汽的进出口温度。
（2）列管换热器冷流体半流通实验，用准备好的丝堵堵上一半面积的内管，打开蒸汽进口阀门16，当蒸汽出口温度接近100度并保持5分钟不变时，打开阀门1，全开旁路阀6，启动风机，利用旁路调节阀6来调节流量，调好某一流量后稳定3-5分钟后，分别记录空气的流量、空气进、出口的温度及蒸汽的进出口温度。
5.实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。
一切复原。
六、实验注意事项：
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。
即在开启加热电压之前，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5-8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。
七、实验数据记录及数据处理过程（举例说明）
1.光滑管及强化实验数据计算。
空气孔板流量计压差
=0.87kPa，壁面温度tw=99.4℃
进口温度t1=15.8℃，出口温度t2=82.9℃
传热管内径di（mm）及流通断面积F（m2）：
di＝20.0（ｍｍ）＝0.0200（ｍ）；
F＝π（di2）／4＝3.142×（0.0200）2／4＝0.0003142（m2）
传热管有效长度L（ｍ）及传热面积si（m2）L＝1.200（ｍ）
si＝πLdi＝3.14×1.200×0.0200＝0.075394（m2）.
传热管测量段上空气平均物性常数的确定
先算出测量段上空气的定性温度
（℃）为简化计算,取t值为空气进口温度t1（℃）及出口温度t2（℃）的平均值：
即
=49.35（℃）
据此查得:
测量段上空气的平均密度ρ＝1.11（kg/m3）；
测量段上空气的平均比热Cp＝1005（J/kg·k）；
测量段上空气的平均导热系数λ＝0.0282（W/ｍ·k）；
测量段上空气的平均粘度μ＝0.0000195（
）；
传热管测量段上空气的平均普兰特准数的0.4次方为:
Pr0.4＝0.6960.4＝0.865
空气流过测量段上平均体积
（m3/h）的计算:
孔板流量计体积流量：
=0.65×3.14×0.0172×3600/4×
=20.03（m3/h）
传热管内平均体积流量
:
=22.36（m3/h）
平均流速
:
=19.77（m/s）
冷热流体间的平均温度差Δtm（℃）的计算:
测得tw=99.4（℃）
（℃）
其他项计算:
传热速率（W）
（W）
（W/m2·℃）
传热准数
测量段上空气的平均流速：
（m/s）
雷诺准数
=2.41×104
以
-Re作图、回归得到准数关联式
中的系数。
A=0.0284,、m=0.7163。
重复步骤以上计算步骤，处理强化管的实验数据。
作图回归得到准数关联式
中的系数。
2.列管换热器总传热系数的测定数据计算
空气孔板流量计压差为1.21kPa
空气进口温度14.3℃；空气出口温度77.3℃
蒸汽进口温度101.0℃蒸汽出口温度100.8℃。
换热器内换热面积：
d=0.0.19mL=1.2m管程数n=6根
S=3.14
0.019
1.2
6=0.4295（m2）
体积流量：
式中：
c0=0.65d0=0.017m查表得密度ρ=1.227kg/m3
VT1=
=23.58（m3/h）
校正后得；
=26.16（m3/h）
在tm下查表得密度ρ=1.12kg/m3CP=1005J/kg·k
所以
=0.0081（kg/h）
根据热量衡算式：
=0.0081
1005
（77.3-14.3）
=515.29（W）
△t1=T1-t2=101.0-77.3=86.7（℃）
△t2=T2-t1=100.8-14.3=23.5（℃）
△Tm==
=48.51（℃）
由传热速率方程式知：
总传热系数
=
=24.73（W/（m2·℃））
表2实验装置数据记录及整理表（光滑管换热器）
No.
1
2
3
4
5
6
空气流量压差（kPa）
1.97
2.65
3.35
3.99
4.69
4.99
空气入口温度t1（℃）
19.4
19.8
21.6
24.4
26.9
29
ρt1（kg/m3）
1.21
1.21
1.20
1.19
1.18
1.18
空气出口温度t2（℃）
58.2
57.6
57.5
58.6
59.7
60.8
tw（℃）
99.4
99.3
99.3
99.3
99.3
99.3
tm（℃）
38.80
38.70
39.55
41.50
43.30
44.90
ρtm（kg/m3）
1.14
1.14
1.14
1.13
1.13
1.12
λtm×102（W/ｍ·k）
2.74
2.74
2.74
2.76
2.77
2.78
Cptm（J/kg·k）
1005
1005
1005
1005
1005
1005
μtm×10-5（Pa·s）
1.91
1.91
1.91
1.92
1.93
1.93
t2-t1（℃）
38.80
37.80
35.90
34.20
32.80
31.80
△tm（℃）
60.60
60.60
59.75
57.80
56.00
54.40
Vt1（m3/h）
30.30
35.16
39.63
43.42
47.25
48.88
Vtm（m3/h）
32.31
37.43
42.04
45.92
49.83
51.45
u（m/s）
28.56
33.09
37.18
40.60
44.06
45.50
qc（W）
400
452
481
497
515
513
（W/m2·℃）
88
99
107
114
122
125
Re
34290
39746
44445
48032
51617
52841
Nu
64
72
78
83
88
90
Nu/（Pr0.4）
74
84
90
96
102
104
表3实验装置数据记录及整理表（强化管换热器）
No.
1
2
3
4
5
空气流量压差（kPa）
0.87
1.33
1.72
2.17
2.24
空气入口温度t1（℃）
15.8
16.9
21.1
27.6
30.7
ρt1（kg/m3）
1.22
1.22
1.20
1.18
1.17
空气出口温度t2（℃）
82.9
81.8
81.7
82.5
83.1
tw（℃）
99.4
99.3
99.2
99.3
99.2
tm（℃）
49.35
49.35
51.40
55.05
56.90
ρtm（kg/m3）
1.11
1.11
1.10
1.09
1.08
λtm×102（W/ｍ·k）
2.82
2.82
2.83
2.86
2.87
Cptm（J/kg·k）
1005
1006
1007
1008
1009
μtm×10-5（Pa·s）
1.95
1.95
1.96
1.98
1.99
t2-t1（℃）
67.10
64.90
60.60
54.90
52.40
△tm（℃）
50.05
49.95
47.80
44.25
42.30
Vt1（m3/h）
20.03
24.81
28.38
32.17
32.83
Vtm（m3/h）
22.36
27.58
31.30
35.11
35.66
u（m/s）
19.77
24.39
27.68
31.04
31.53
qc（W）
464
554
584
587
567
（W/m2·℃）
123
147
162
176
178
Re
22413
27649
31027
34116
34308
Nu
87
105
114
123
124
Nu/（Pr0.4）
101
121
132
142
143
表4列管换热器全流通数据记录表：
序号
空气流量压差ΔP
空气进口温度t1
空气出口温度t2
蒸汽进口温度T1
蒸汽出口温度T2
体积流量Vt1
换热器体积流量Vm
质量流量
空气进出口温差
传热量Q
对流传热系数Ko
（KPa）
（℃）
（℃）
（℃）
（Kpa）
（m3/h）
（m3/h）
（Kg/s）
（℃）
（W）
（W/m2.s）
1
1.21
14.3
77.3
101
100.8
23.58
26.16
0.0081
63.0
515.29
24.73
2
2.33
15.4
76
100.9
100.8
32.76
36.21
0.0113
60.6
686.23
32.54
3
3.47
17.1
75.3
100.9
100.8
40.08
44.10
0.0137
58.2
801.50
38.05
4
4.52
18.9
75.1
100.9
100.8
45.86
50.27
0.0156
56.2
880.15
42.19
5
5.52
21.2
74.8
100.9
100.8
50.84
55.47
0.0171
53.6
923.45
44.81
6
6.55
24
75.2
100.9
100.8
55.60
60.40
0.0186
51.2
955.68
47.66
序号
空气入口密度ρt1
进出口平均温度tm
换热器空气平均密度
Δt2-Δt1
ln（Δt2/Δt1）
Δtm
λtm×100
Cptm
μtm×105
换热面积
u
（kg/m3）
（℃）
（kg/m3）
（℃）
（W/m.s）
（kW/kg.℃）
（Pa.s）
（m2）
（m/s）
1
1.227
45.8
1.120
62.8
1.29
48.51
2.79
1005
1.94
0.4296
4.27
2
1.223
45.7
1.120
60.5
1.23
49.09
2.79
1005
1.94
0.4296
5.92
3
1.218
46.2
1.119
58.1
1.18
49.04
2.79
1005
1.94
0.4296
7.20
4
1.211
47
1.116
56.1
1.16
48.57
2.80
1005
1.94
0.4296
8.21
5
1.204
48
1.113
53.5
1.12
47.98
2.81
1005
1.95
0.4296
9.06
6
1.194
49.6
1.107
51.1
1.09
46.68
2.82
1005
1.96
0.4296
9.87
7
1.185
51.3
1.101
48.8
1.08
45.30
2.83
1005
1.96
0.4296
10.63
表5列管换热器半流通数据记录表
序号
空气流量压差ΔP
空气进口温度t1
空气出口温度t2
蒸汽进口温度T1
蒸汽出口温度T2
体积流量Vt1
换热器体积流量Vm
质量流量
空气进出口温差
传热量Q
对流传热系数Ko
（kPa）
（℃）
（℃）
（℃）
（kpa）
（m3/h）
（m3/h）
（kg/s）
（℃）
（W）
（W/m2.s）
1
1.22
11.6
70.3
101
100.8
23.58
26.0
0.0082
58.7
484.5
41.13
2
2.23
13.2
70.7
101
100.8
31.96
35.2
0.0111
57.5
639.6
55.18
3
3.2
14.8
70.3
101
100.8
38.37
42.1
0.0132
55.5
737.1
63.93
4
4.27
16.8
70.3
101
100.8
44.44
48.5
0.0152
53.5
817.5
71.88
5
5.4
19.6
70.3
101
100.8
50.17
54.5
0.0170
50.7
866.5
77.70
6
6.32
22.7
70.8
101
100.8
54.52
59.0
0.0183
48.1
884.0
81.64
7
7.25
25.3
71.5
101
100.8
58.61
63.1
0.0195
46.2
904.9
86.08
序号
空气入口密度ρt1
进出口平均温度tm
换热器空气平均密度
Δt2-Δt1
ln（Δt2/Δt1）
Δtm
λtm×100
Cptm
μtm×105
换热面积
u
（kg/m3）
（℃）
（kg/m3）
（℃）
（W/m.s）
（kW/kg.℃）
（Pa.s）
（m2）
（m/s）
1
1.236
40.95
1.136
58.5
1.07
54.85
2.75
1005
1.92
0.2148
8.50
2
1.231
41.95
1.133
57.3
1.06
53.97
2.76
1005
1.92
0.2148
11.49
3
1.225
42.55
1.131
55.3
1.03
53.68
2.77
1005
1.92
0.2148
13.74
4
1.219
43.55
1.128
53.3
1.01
52.95
2.77
1005
1.93
0.2148
15.86
5
1.209
44.95
1.123
50.5
0.97
51.92
2.78
1005
1.93
0.2148
17.81
6
1.199
46.75
1.117
47.9
0.95
50.41
2.80
1005
1.94
0.2148
19.26
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