气汽对流传热综合实验(doc X页)
气-汽对流传热综合实验
一、 实验目的
1、掌握对流传热系数的测定
方法
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,加深对其概念和影响因素的理解; ,i
2. 确定强制对流传热准数关联式中常数;
3. 通过对强化套管换热器的实验研究,了解强化传热的基本理论和基本方式。
二、 实验原理
本实验采用套管换热器, 以环隙内流动的饱和水蒸汽加热管内空气,水蒸汽和空气间的传热过程由三个传热环节组成:水蒸汽在管外壁的冷凝传热,管壁的热传导以及管内空气对管内壁的对流传热。本实验装置采用两组套管换热器,即光滑套管换热器及强化套管换热器。
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
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
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图1 螺旋线圈内部结构 的比值技术参数,且长径比是影响传热效果和阻力系 数的重要因素。
三、 实验装置
实验装置如图2所示,主要结构参数如
表
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1所示。
说明:1、蒸汽发生器为电加热釜,使用容积为5升,内装有一支2.5kw的螺电热器,与一储水釜相连(实验过程中要保持储水釜中液位不要低于釜的二分之一,防止加热器干烧);2、空气进出口温度采用电偶电阻温度计测得,由多路巡检表以数值形式显示。壁温采用热电偶温度计测量;3、旋涡气泵型号为XGB?2,由无锡市仪表二厂生产,
电机功率约0.75 KW(使用三相电源),在本实验装置上,产生的最大和最小空气流量基本满足要求,使用过程中,输出空气的温度呈上升趋势。
图2 空气-水蒸气传热综合实验装置
流程
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图
1-液位管;;2-储水罐;3-排水阀;4-蒸汽发生器;5-强化套管蒸汽进口阀; 6-光滑套管蒸汽进口阀;7-光滑套管换热器;8-强化套管换热器;9-光滑套管蒸汽出口;10-强化套管
蒸汽出口;11-光滑套管空气进口阀;12-强化套管空气进口阀;13-孔板流量计;
14-空气旁路调节阀;15-旋涡气泵
表1实验装置结构参数
实验内管内径d(mm) 20.00 i
实验内管外径d(mm) 22.0 o
实验外管内径D(mm) 50 i
实验外管外径D(mm) 57.0 o
测量段(紫铜内管)长度L(m) 1.20
强化内管内插物 丝径h(mm) 1 (螺旋线圈)尺寸 节距H(mm) 40
操作电压 ?200伏 加热釜
操作电流 ?10安
四、实验方法及步骤
1.实验前的准备,检查工作:
? 向储水罐中加水至液位计上端处。
? 检查空气流量旁路调节阀是否全开。
? 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。
? 接通电源总闸,设定加热电压,启动电加热器开关,开始加热。 2. 实验开始:
(1)关闭通向强化套管的阀门5,打开通向光滑套管的阀门6,当光滑套管换热器的放空口9有水蒸气冒出时,可启动风机,此时要关闭阀门12,打开阀门11。在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气冒出。
(2)启动风机后用放空阀14来调节流量,调好某一流量后稳定3-5分钟后,分别测量空气的流量,空气进、出口的温度及壁面温度。然后,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) 做完光滑套管换热器的数据后,要进行强化管换热器实验。先打开蒸汽支路阀5,全部打开空气旁路阀14,关闭蒸汽支路阀6,打开空气支路阀12,关闭空气支路阀11,进行强化管传热实验。实验方法同步骤(2)。
(4)实验结束后,依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。 3.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。即在给蒸汽加热釜电压之前,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3~8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,且保证蒸汽放空口一直有蒸汽放出。
五、 实验数据记录
将实验过程中所得数据记录在表2中,然后将数据整理后,记录在表3中,并说明其中一组数据的计算过程,即计算示例。
表表表1 1 1 实验记录:光滑管实验记录:光滑管(或强化管)实验记录:光滑管(或强化管) No.No.No. 111 222 333 444 555 666
流量(流量(流量(Kpa)Kpa)Kpa) 1.55
ttt(((???)进口温度)进口温度)进口温度 17.7 111
ttt(((???)出口温度)出口温度)出口温度 51.7 222
ttt(((???)壁温)壁温)壁温 99.3 www
表1 实验记录:强化管
No. 1 2 3 4 5 6
流量(Kpa) 1.00
t(?)进口温度 24.7 1
t(?)出口温度 68.9 2 t(?)壁温 99.4 w
2,,P V,c,A,t100,t1
表2 数 据 整 理 :光滑管(或强化管) No. 1 2 3 4 5 6
流量(Kpa) 1.55
t(?) 17.7 13ρ(Kg/m) 1.185 t1
t(?) 51.7 2
t(?) 99.3 w t(?) 34.7 m 3ρ(kg/m) 1.141 tm-2 λ(×10) 2.71 tm
C(t) 1005 p m
,5 101.88* μ t-t(?) 34 21
,t(?) m 64.6
3V(m/h) 9.35 t1 3V(m/h) 9.90 u(m/s) 8.75 Q(W) 107
2 α(W/m?) 21.98
Re 10621
Nu 16.22
Pr 0.697
No. 1 2 3 4 5 6 流量(Kpa) 1.00
t(?)进口温度 24.7 1
t(?)出口温度 68.9 2
t(?)壁温 99.4 w
Nu,,,d/,,40,0.0200/0.0277,29 ii
表2 数 据 整 理 :光滑管(或强化管)
No. 1 2 3 4 5 6 流量(Kpa) 1.00
(?) 24.7 t13ρ(Kg/m) 1.405 t1
t(?) 68.9 2
t(?) 99.4 w
t(?) 46.8 m3ρ(kg/m) 1.111 tm-2λ(×10) 2.80 tm
C(t) 1005 p m
,5101.94* μ t-t(?) 44.2 21
(?) ,tm 52.6
3V(m/h) 8.79 t13V(m/h) 9.44
u(m/s) 8.35
Q(W) 129.41
2α(W/m?) 32.65
Re 9564
Nu 23.32
Pr 0.696 Nu,,,d/,,40,0.0200/0.0277,29 ii
,5,,C1005,1.93,10pPr,,,0.699 ,0.0277
273,tmV,V,六、 实验数据处理 1mt273,t1
(一)光滑套管换热器传热系数及其准数关联式的确定
1.对流传热系数的测定 ,i
在该传热实验中,空气走内管,蒸气走外管。
对流传热系数可以根据牛顿冷却定律,用实验来测定 ,i
Qi (1) ,,i,t,Smi
2式中:—管内流体对流传热系数,W/(m??); ,i
Q—管内传热速率,W; i
2 S—管内换热面积,m; i
—内壁面与流体间的温差,?。 ,tm
t,t12,t,t, 由下式确定: (2) ,tmwm2式中:t,t —冷流体的入口、出口温度,?; 12
t —壁面平均温度,?; w
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t来表示。 w
S,,dL 管内换热面积: (3) iii式中:d—内管管内径,m; i
L—传热管测量段的实际长度,m。 i
由热量衡算式:
Q,WCp(t,t) (4) imm21其中质量流量由下式求得:
V,mm, (5) Wm3600
3V式中:—冷流体在套管内的平均体积流量,m / h; m
Cp —冷流体的定压比热,kJ / (kg??); m
3, —冷流体的密度,kg /m。 m
t,t12t,Cp, 和可根据定性温度t查得,为冷流体进出口平均温度。t,t, t, m12wmmm2
可采取一定的测量手段得到。 Vm
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,被加热状态,准数关联式的形式为
mn . (6) Nu,ARePr
,,,iimimdudmmCp其中: , , ,Re,Pr,Nu,,,imm
物性数据、、、可根据定性温度t查得。经过计算可知,对于管内被加热,Cp,,mmmmm
的空气,普兰特准数变化不大,可以认为是常数,则关联式的形式简化为: Pr
m0.4 (7) Nu,ARePr
ReNu这样通过实验确定不同流量下的与,然后在lgNu~lgRe双对数坐标系中用线性回归方法确定A和m的值。
3. 空气流量的测量:
2,,P (8) V,c,A,t100,t1
其中,c-孔板流量计孔流系数,c=0.65 002 A-孔的面积 m 0
d-孔板孔径 , d =0.014 m 00
,P -孔板两端压差,Kpa
3 ,-空气入口温度(即 流量计处温度)下密度,Kg/m。 t1
(9)
由于换热器内温度的变化,传热管内的体积流量需进行校正:
273,tmV,V, (10) 1mt273,t1
3V—传热管内平均体积流量,m/h; m
t—传热管内平均温度,?。 m
(二) 强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定
采用和光滑套管同样的处理数据方法,确定传热系数和准数关联式。为研究强化传
NuNu0热效果(不考虑阻力的影响),可以用强化比的概念作为评判准则,其形式为:,
NuNu0其中Nu是强化管的努塞尔准数,Nu是光滑管的努塞尔准数,显然,强化比,0
1,而且它的值越大,强化效果越好。
七、 思考题
1、比较强化管和光滑管的努塞尔准数(计算强化比),并说明强化管强化传热的原
因。
2总传热速率方程为 ,其中总传热系数K与空气对流传热系数、蒸汽对Q,KA,tm
流传热系数和内管导热系数都有关(忽略污垢热阻),但在本实验中: 。说明原K,,i
因。
3、管内空气流动速度增大时,α有何变化,说明原因。 八、附录
实验数据的计算过程举例:
1、光滑套管数据处理
,P 孔板流量计压差计读数 =0.40 KPa,空气进口温度,20.7 ? t1
出口温度,65.4 ?,传热管壁面温度=99.7 ? ttw2
(1)传热管内径及流通截面积 dFii
,20.00(,,),,0.0200 (,); di
222 ,3.142×(0.0200) ,4,0.0003142(m). F,,,d/4ii
L(2)传热管有效长度 及传热面积S i
L,1.20,
2 S,,,d,L,3.142×0.02×1.20,0.07536(m). ii
(3)空气平均物性常数的确定
t,t12t,t先算出空气的定性温度, = 43.5(?) mm2
在此温度下空气物性数据如下:
3平均密度 ρ ,1.21(kg/m); 平均比热 Cpm,1005 (J,Kg?k); m
Pa,s平均导热系数 λm,0.0277(,,,?K); 平均粘度 μm,0.0000193 ();
V? 空气流过换热器内管时平均体积流量和平均流速的计算 m
孔板流量计体积流量(空气入口的体积流量):
2,0.40,10002,,P23=0.65*3.14*0.014*3600/4*=9.27(m/h) V,c,A,t100,,t1t1
其中,c-孔板流量计孔流系数,c=0.65 002 A-孔的面积 m 0
d-孔板孔径 , d =0.014 m 00
,P -孔板两端压差,pa
3 -空气入口温度(即 流量计处温度)下密度,Kg/m。 ,t1
由于换热器内温度的变化,传热管内的体积流量需进行校正,则传热管内平均体积
流量为:
273,t273,43.53mV,V,,9.27, =10.00(m/h) 1mt273,t273,20.71
3—传热管内平均体积流量,m/h; Vm
—传热管内平均温度,?。 tm
平均流速: um
,,=8.85(m/s) u,V/F,3600,10.00/(0.0003142,3600)mm
? 壁面和冷流体间的平均温度差,t的计算: m
t,t12,t,t, = 99.7,43.5 = 56.65(?) mw2? 传热速率
,,(,)10.00,1.13,1005,(65.4,20.7)V,Cpttmmm21139(W) ,,,Q36003600
? 管内传热系数
2,,,,Q/,t,S,139/(56.65,0.07536),40(W/m??) imi? 各准数
Nu,,,d/,,40,0.0200/0.0277,29 ii
Re,d,u,/,,0.0200,8.85,1.13/0.0000193=10377 immm
,5,,C1005,1.93,10pPr,,,0.699 ,0.0277
其它组数据处理方法同上,数据结果见表2。
m0.4? 求关联式中的常数项 Nu,ARePr
NuNuReRe以为纵坐标,为横坐标,在对数坐标系上标绘,关系,由线性回0.40.4PrPr
0.757归出如下结果: y = 0.0266x
0.7570.4Nu,0.0266RePr即 2、强化套管换热器数据处理:
重复上面步骤,同样可以得到强化套管换热器的实验数据,计算过程略,结果见表3及图。其中强化比的计算如下: NuNu0
将强化套管换热器求得的Re数带入光滑套管换热器所得的准数关联式中,可以得到。如Nu0
Re表3中第1组数据:= 26437
0.81610.4 0.81610.40.0174RePr= = 0.0174×26437×0.697= 61.20758 Nu0
= 98/61.20758 = 1.5992 Nu/Nu0