传热综合实验

一、实验目的：

掌握传热系数K、传热膜系数α1的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解；

掌握用最小二乘法确定关联式中常熟A、指数m的值；

通过对普通套管换热器和强化套管换热器的比较，了解工程上强化传热的措施；

掌握孔板流量计的原理；

掌握测温热电偶的使用方法。

二、实验原理

(一)无量纲准则数

对流传热准数关联式是无量纲准则数之间的方程，主要是有关Nu、Re、Pr等数据组的关系。

雷诺准数

努赛尔特准数

普兰特准数

式中：

d——换热器内管内劲，m ；

——空气传热膜系数，W·m-2·℃；

——空气密度,kg·m-3；

——空气的传热系数,W·m-1·℃；

——空气定压比热，J·kg-1·℃；

——空气的动力粘度，Pa·S。

实验中用改变空气的流量来改变准数Re之值。根据定性温度计算对应的Pr准数值。同时由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数值，进而算得Nu准数值。

(二)对流传热准数关联式

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：

系数C、指数m和n则需由实验加以确定。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，根据所测的数据，经过差物性数据和计算，可求出不同流量下的Nu和Re，然后用线性回归方法(最小二乘法)确定关联式中常数A、m的值。

(三)线性回归

用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同变量Re和vPr分别回归。为了便于掌握这类方程的关联方法，可去n=0.4。这样就简化成单变量方程。两边取对数，得到直线方程

在双对数坐标系中作图，找出直线斜率，即为方程的指数m。在直线上任取一点的函数值带入方程中得到系数C，即

用图解法，根据实验点确定直线位置，有一定的人为性。而用最小二乘法回归，可以得到最佳关联结果。应用计算机对多变量方程进行一次回归，就能同时得到C、m、n。

(四)空气传热膜系数

因为空气传热膜系数1远小于蒸汽传热膜系数2，所以传热管内的对流传热系数1约等于冷热流体间的总传热系数K。则有

(1)传热速率方程：

式中：A——传热面积(内管内表面积)，m2；

——管内外流体的平均温差，℃。

其中，，

T——蒸汽侧的温度，可近似用传热管的外壁面平均温度TW表示，TW=1.2705+23.518×E

E——热电偶测得的热电势，mV。

(2)传热量Q可由热平衡方程求得：

——空气质量流量，kg/h；

V——空气体积流量，m3/h；

t1,t2——空气进出口温度，℃。

(3)实验条件下的空气流量V,需按下式计算

式中：——20℃下的体积流量；

——空气进出口平均温度，℃。

(五)强化传热机理

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。科学家通过实验研究总结了形式为的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。

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：，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＞1，而且它的值越大，强化效果越好。

三、实验装置与流程：

(一)流程

图2 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图

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；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、蒸汽上升主管路；15、加水口；16、放水口；17、液位计；

18、冷凝液回流口；19—普通管测压口；20—强化管测压口

来自鼓风机的空气通过调节阀1转子流量计2和换热管3，经换热后排空。热量由缠绕在换热管表面的电热丝4供给；空气流量由转子流量计2测定；进、出口空气温度由温度计读取，其进口压强由U形管液柱压差计显示；壁温由热电偶测量。

(二)实验装置主要参数