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。3、学会并应用线性回归分析方法,确定关联式Nu=ARemPr0、4中常数A、m得值。4、由实验数据及关联式Nu=ARemPr0、4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。3、对得实验数据进行线性回归,确定关联式Nu=ARemPr0、4中常数A、m得数值。4、通过关联式Nu=ARemPr0、4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,℃;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、外壁温度与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近似等于热流体得平均温度。管内换热面积:(3)式中:di—内管管内径,m;Li—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/(kg·℃);ρi—冷流体得密度,kg/m3。cpi与ρi可根据定性温度tm查得,为冷流体进出口平均温度。ti1,ti2,tw,Vi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。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。图一螺旋线圈强化管内部结构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