传热综合实验 - 横管对流传热系数的测定

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课程名称：过程工程原理实验（甲）指导老师：成绩：__________________ 实验名称：传热综合实验——横管对流传热系数的测定实验类型：同组学生姓名： 一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的和要求 1、掌握空气在普通和强化传热管内的对流传热系数的测定方法，了解影响传热系数的因素和强化传热的途径。 装订线2、把测得的数据整理成Nu=BRen形势的准数方程，并与教材中相应公式进行比较。 3、了解温度、加热功率、空气流量的自动控制原理和使用方法。 二、装置与流程 本实验装置流程如图1由蒸汽发生器、孔板流量变送器、变频器、套管换热器及温度传感器、智能显示仪表等构成。 这是竖管的图

图1 横管对流传热系数测定实验装置流程图

? 表1 竖管对流传热系数测定实验装置流程图符号说明表

名称 符号 单位 备注 V m3/h 冷流体流量 t1 冷流体进口温度 ℃ t2 普通管冷流体出口温度 ℃ t2’ 强化管冷流体出口温度 ℃ 紫铜管规格φ19×1.5mm， T1 蒸汽发生器内蒸汽温度 ℃ 即内径为16mm， TW1 普通管热流体进口端壁温 ℃ 有效长度为980mm， TW2 普通管热流体出口端壁温 ℃ 冷流体流量范围：3～20 m3/h. T 普通管外蒸汽温度 ℃ TW1’ 加强管热流体进口端壁温 ℃ TW2’ 加强管热流体出口端壁温 ℃ T’ 加强管外蒸汽温度 ℃ 空气-水蒸气换热流程：来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器，与被风机抽进的空气进行换热

交换，冷凝水经排出阀排入盛水装置。空气由风机提供，流量通过变频器改变风机转速达到自动控制，空气经孔板流量计进入套管换热器内管，热交换后从风机出口排出。 注意：本实验中，普通和强化实验通过管路上的切换阀门进行切换。

三、实验内容和原理

在工业生产过程中，大量情况下，采用间壁式换热方式进行换热。所谓间壁式换热，就是冷、热两种流体之间有一固体壁面，两流体分别在固体壁面的两侧流动，两流体不直接接触，通过固体壁面（传热元件）进行热量交换。

本装置主要研究汽—气综合换热，包括普通管和加强管。其中，水蒸汽和空气通过紫铜管间接换热，空气走紫铜管内，水蒸汽走紫铜管外，采用逆流换热。所谓加强管，是在紫铜管内加了弹簧，增大了绝对粗糙度，进而增大了空气流动的湍流程度，使换热效果更明显。 1、 空气在传热管内对流传热系数的测定

如图2所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。

? T TW tW t 间壁式传热过程示意图 图图2 1间壁式传热过程示意图

间壁式传热元件，在传热过程达到稳态后，有

热流体与固体壁面的对数平均温差可由（2）式计算：

固体壁面与冷流体的对数平均温差可由（3）式计算：

热、冷流体间的对数平均温差可由（4）式计算：

冷流体（空气）的质量流量可由（5）式计算：

注意：空气在无纸记录仪上显示的体积流量，与空气流过孔板时的密度有关，考虑到实际过程中，空气的进口温度不是定值，为了处理上的方便，无纸记录仪上显示的体积流量是将孔板处的空气密度?0当作1kg/m3时的读数，因此，如果空气实际密度不等于该值，则空气的实际体积流量应按下式进行校正：

当内管材料导热性能很好，即?值很大，且管壁厚度较薄时，可认为同一截面处换热管二侧壁温近似相等，即TW2? tW1，TW1? tW2,在传热过程达到稳定后，由式（1）可得：

即：

一般情况下，直接测量固体壁面温度，尤其是管内壁温度，实验技术难度较大，因此，工程上也常采用通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流传热系数。下面介绍其他两种测定对流传热系数?2的实验方法。

（1）近似法求算空气侧对流传热系数?2。

以管内壁面积为基准的总传热系数与对流传热系数间的关系为：

总传热系数K可由式（1）求得：

用本装置进行实验室时，换热管外侧、管壁，内侧污垢热阻均忽略不急，则可由式（9）近似得出：

由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法所求得的结果准确性越高。

2、 准数方程式

对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，传热准数经验式为：

式中：Nu—努塞尔数，Nu??2d2，无因次；

?'Re—雷诺数，Re?d2u?，无因次；

?Pr—普兰特数，Pr?cp2??'，无因次；

上式适用范围为：Re＝1.0×104～1.2×105，Pr＝0.7～120，管长与管内径之比L/d≥60。当流体被加热时n＝0.4，流体被冷却时n＝0.3。

故可由实验获取的数据点拟合出相关准数后，在双对数坐标纸上，即可作出Nu~Re直线，确定Nu=BRen的拟合方程，并与公认的经验公式进行对比，以验证实验效果。

通过普通管和强化传热管实验结果的对比，分析影响传热系数的因素和强化传热的途径。

四、操作方法和实验步骤

1、检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常； 2、蒸汽发生器灌水至接近最高点4/5处；

3、打开总电源开关、仪表电源开关，启动控制软件。开启蒸汽发生器开始加热，设定温度在103℃左右，全开不凝气排放阀；

4、温度上升到设定温度后，开启风机，关闭不凝气排放阀，稍微开启冷凝水排放阀，使冷凝水不