化工传热综合实验

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1、化工传热综合实验装置说明书化学与生物工程学院环境工程实训室2016.11一、实验目得 :1、通过对空气水蒸气简单套管换热器得实验研究, 掌握对流传热系数得测定方法 , 加深对其概念与影响因素得理解。2、通过对管程内部插有螺旋线圈得空气水蒸气强化套管换热器得实验研究 ,掌握对流传热系数得测定方法, 加深对其概念与影响因素得理解。m0、 43、学会并应用线性回归分析方法, 确定关联式 Nu=ARePr中常数 A、 m得值。m0、44、由实验数据及关联式Nu=ARePr计算出 Nu、Nu0, 求出强化比 Nu/Nu0, 加深理解强化传热得基本理论与基本方式。二、实验内容 :1、测定 5-6 组不同流

2、速下简单套管换热器得对流传热系数。2、测定 5-6 组不同流速下强化套管换热器得对流传热系数。m0、 43、对得实验数据进行线性回归, 确定关联式 Nu=ARePr中常数 A、m得数值。m0、44、通过关联式 Nu=ARePr计算出 Nu、 Nu0, 并确定传热强化比Nu/Nu0。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得确定:(1) 对流传热系数得测定 :对流传热系数可以根据牛顿冷却定律 , 通过实验来测定。因为 , 所以传热管内得对流传热系数 K, K(W/m2 ) 为热冷流体间得总传热系数 , 且所以 :(1)式中 : 管内流体对流传热系数,W/(m2?);Qi管内传热

3、速率 ,W;Si 管内换热面积,m2;管内平均温度差 , 。平均温度差由下式确定 :(2)式中 : 冷流体得入口、出口平均温度, ; t w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、外壁温度与壁面平均温度近似相等 , 用 t w 来表示 , 由于管外使用蒸汽 , 所以 t w近似等于热流体得平均温度。管内换热面积 :(3)式中 : di 内管管内径 ,m;L i 传热管测量段得实际长度,m。由热量衡算式 :(4)其中质量流量由下式求得 :(5)式中 : Vi 冷流体在套管内得平均体积流量 ,m3 / h;cpi 冷流体得定压比热 ,kJ

4、 / (kg ); i 冷流体得密度 ,kg /m 3。cpi 与 i 可根据定性温度 t m查得,为冷流体进出口平均温度。t i1,t i2,t w V i 可采,取一定得测量手段得到。(2) 对流传热系数准数关联式得实验确定 :流体在管内作强制湍流 , 被加热状态 , 准数关联式得形式为 :、(6)其中: ,物性数据 i 、cpi 、i 、i 可根据定性温度 t m查得。经过计算可知 , 对于管内被加热得空气 , 普兰特准数 Pri 变化不大 , 可以认为就是常数 , 则关联式得形式简化为 :(7)这样通过实验确定不同流量下Rei 与 , 然后用线性回归方法确定A 与 m得值。图一 螺旋线

5、圈强化管内部结构2、强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比得测定:强化传热技术 , 可以使初设计得传热面积减小, 从而减小换热器得体积与重量 , 提高了现有换热器得换热能力 , 达到强化传热得目得。 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。强化传热得方法有多种 , 本实验装置采用了多种强化方式 , 具体见下表。其中螺旋线圈得结构图如图一所示 , 螺旋线圈由直径 3mm以下得铜丝与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得作用而发生旋转 , 一面还周期性

6、地受到线圈得螺旋金属丝得扰动 , 因而可以使传热强化。 由于绕制线圈得金属丝直径很细 , 流体旋流强度也较弱 , 所以阻力较小 , 有利于节省能源。螺旋线圈就是以线圈节距 H与管内径 d 得比值以及管壁粗糙度 () 为主要技术参数 , 且长径比就是影响传热效果与阻力系数得重要因素。科学家通过实验研究总结了形式为得经验公式, 其中 A 与 m得值因强化方式不同而不同。在本实验中, 确定不同流量下得Rei 与, 用线性回归方法可确定B 与m得值。单纯研究强化手段得强化效果( 不考虑阻力得影响 ), 可以用强化比得概念作为评判准则 , 它得形式就是 :, 其中 Nu就是强化管得努塞尔准数, Nu0

7、就是普通管得努塞尔准数 , 显然 , 强化比 1, 而且它得值越大 , 强化效果越好。需要说明得就是 , 如果评判强化方式得真正效果与经济效益, 则必须考虑阻力因素 , 阻力系数随着换热系数得增加而增加, 从而导致换热性能得降低与能耗得增加, 只有强化比较高 , 且阻力系数较小得强化方式, 才就是最佳得强化方法。四、实验装置得基本情况:1、实验装置流程示意图 ( 如图二所示 ):图二传热综合实验装置流程图1- 光滑管空气进口阀 ;2- 光滑管空气进口温度 ;3- 光滑管蒸汽出口 ;4- 光滑套管换热器 ;5- 光滑管空气出口温度 ;6- 强化管空气进口阀 ;7- 强化管空气进口温度 ;8-强化

8、管蒸汽出口 ;9- 内插有螺旋线圈得强化套管换热器;10- 光滑套管蒸汽进口阀 ;12- 孔板流量计 ;13- 强化套管蒸汽进口阀 ;14- 空气旁路调节阀 ;15- 旋涡气泵 ;16- 储水罐 17- 液位计 ;18- 蒸汽发生器 ;19- 排水阀 ;20- 散热器 ; 其中2,5,7,11,12为测试点2、实验设备主要技术参数( 如表一所示 ):表一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 D(mm)57、 0o测量段 ( 紫铜内管 ) 长度 L(m)1、 20强化内管内插物丝径 (mm)1h(

9、螺旋线圈 ) 尺寸节距 H(mm)40c0=0、65、 d0 =0、 017孔板流量计孔流系数及孔径m旋涡气泵XGB 12 型操作电压200 伏加热釜操作电流10 安3、实验装置面板图 ( 如图三所示 ):图三 传热过程综合实验面板图五、实验操作步骤 :1、实验前得检查准备向水箱 16 中加水至液位计上端。检查空气流量旁路调节阀14 就是否全开 ( 应全开 ) 。检查蒸气管支路各控制阀10、13 与空气支路控制阀1、6 就是否已打开 ( 应保证有一路就是开启状态), 保证蒸汽与空气管线畅通。合上电源总闸 , 设定加热电压 , 启动电加热器开关 , 开始加热。加热系统处于完好状态。2、 开始实验

10、合上电源总开关。打开加热开关, 设定加热电压 ( 不得大于200V), 直至有水蒸气冒出 , 在整个实验过程中始终保持换热器蒸汽放空口3 或 8 处有水蒸气冒出 , 经过风冷散热器 20 将水蒸气冷凝下来 , 并流回到水箱 17 中循环使用。加热电压得设定 : 按一下加热电压控制仪表得键 , 在仪表得 SV 显示窗中右下方出现一闪烁得小点 , 每按一次键 , 小点便向左移动一位 , 小点在哪个位子上就可以利用、键调节相应位子得数值 , 调好后在不按动仪表上任何按键得情况下 30 秒后仪表自动确认 , 并按所设定得数值应用。合上面板上风机开关启动风机并用旁路调节阀 14 来调节空气得流量 , 在

11、一定得流量下稳定 35 分钟后分别测量空气得流量 , 空气进、出口得温度 , 由温度巡检仪测量 (1- 光滑管空气入口温度 ;2- 光滑管空气出口温度 ;3- 粗糙管空气入口温度 ;4- 粗糙管空气出口温度 ), 换热器内管壁面得温度由温度巡检仪 ( 上- 光滑管壁面温度 ; 下- 粗糙管壁面温度 ) 测得。然后 , 在改变流量稳定后分别测量空气得流量 , 空气进 , 出口得温度 , 壁面温度后继续实验。实验结束后 , 依次关闭加热、风机与总电源。一切复原。六、实验注意事项 :1、实验前将加热器内得水要加到指定位置 , 防止电热器干烧损坏电器。 特别就是每次实验结束后 , 进行下次实验之前 ,

12、 一定检查水位 , 及时补充。2、计算机数据采集与过程控制实验时应严格按照计算机使用规程操作计算机、采集数据与控制过程中要注意观察实验现象。3、开始加热时 , 加热电压控制在 (160V) 左右为宜。4、加热约十分钟后 , 可提前启动鼓风机 , 保证实验开始时空气入口温度t 1 ( )比较稳定 , 可节省实验时间。5、必须保证蒸汽上升管线得畅通。即在给蒸汽加热釜电压之前, 两蒸汽支路控制阀之一必须全开。 转换支路时 , 应先开启需要得支路阀门, 再关闭另一侧阀门 ,且开启与关闭控制阀门时动作要缓慢, 防止管线骤然截断使蒸汽压力过大而突然喷出。6、保证空气管线畅通 , 即在接通风机电源之前, 两

13、个空气支路控制阀之一与旁路调节阀必须全开。 转换支路时 , 应先关闭风机电源然后再开启或关闭控制阀。7、注意电源线得相线、零线、地线不能接错。七、实验数据记录及数据处理过程举例:1、实验数据得计算过程简介( 以光滑管第一组数据为例) 。孔板流量计压差 =0、 9Kpa壁面温度 Tw =99、4。进口温度 t、 出口温度 t=63、 1=14425传热管内径 di及流通断面积F2(mm)(m ):di、0(), 、0200 ();200F di2)、 (0、0200)2、2)、(43142400003142( m传热管有效长度L(及传热面积si2 、200()(m ): L1si L d i 、

14、 、 、 、2、31421200002000075394(m)传热管测量段上空气平均物性常数得确定、先算出测量段上空气得定性温度( ) 为简化计算 , 取 t 值为空气进口温度t 1( )及出口温度 t 2( ) 得平均值 :即=38、 95( )据此查得:测量段上空气得平均密度测量段上空气得平均比热 1、 23 (Kg/m 3);Cp 1005 (J KgK);测量段上空气得平均导热系数 0、0274(W K);测量段上空气得平均粘度 1、 91();传热管测量段上空气得平均普兰特准数得0、4 次方为 :Pr0、 4 0、 86空气流过测量段上平均体积( m 3/h) 得计算 :孔板流量计体

15、积流量 :=0、65*3 、14*0 、0172*3600/4*=13 、97(m3/h)传热管内平均体积流量 :=15、 16(m3/h)平均流速 :=13、 4(m/s)冷热流体间得平均温度差tm ( ) 得计算 :测得 tw= 99 、 4( )( )其她项计算 :传热速率 (W)(W)(W/m2 )传热准数测量段上空气得平均流速: (m/s)雷诺准数=15571作图、回归得到准数关联式中得系数。重复步骤 (1)-(8), 处理强化管得实验数据。作图回归得到准数关联式中得系数。表二、实验装置 1 数据记录及整理表 ( 普通管换热器 )No、1234567流量 ( Kpa)t 1( ) t

16、1(Kg/m 3)t 2( )Tw( )tm () tm(kg/m3) tm 100Cp tm tm100000t()tm( )V t1(m3/h)V(m 3/h)u(m/s)qc(W)2i ( W/m)ReNuNu/(Pr0、 4)表三、实验装置 1 数据记录及整理表 ( 强化管换热器 )No、1234567流量 ( Kpa)t1( ) t1(Kg/m3)t2( )Tw( )tm () tm(kg/m3) tm 100 Cp tm tm 100000 t() tm( )V t1(m3/h)V(m 3/h)u(m/s)qc(W)2i ( W/m)ReNuNu/(Pr0、 4)图四传热实验装置实

17、验准数关联图表四、实验装置 2 数据记录及整理表 ( 普通管换热器 )No、1234567流量 ( Kpa)t 1( ) t1(Kg/m 3) t 2( )Tw( )tm () tm(kg/m3) tm 100 Cp tm tm 100000 t() tm( )V t1(m3/h)V(m 3/h)u(m/s)qc(W)2i ( W/m)ReNuNu/(Pr0、 4)表五、实验装置 2 数据记录及整理表 ( 强化管换热器 )No、1234567流量 ( Kpa)t1( ) t1(Kg/m3)t2( )Tw( )tm () tm(kg/m3) tm 100Cp tm tm100000t()tm( )V t1(m3/h)V(m 3/h)u(m/s)qc(W)2i ( W/m)ReNuNu/(Pr0、 4)图五传热实验装置实验准数关联图