实验四换热上课讲义.docx
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实验四换热上课讲义
实验四、换热
实验五换热器传热系数的测定实验
(气——汽对流传热)
一、实验目的
1、通过对本换热器的实验研究,掌握对流传热系数αi测定方法,加深对其概念和影响因素的理解。
2、通过实验应用线性回归分析方法,确定关联式NU=ARemPr0.4中常数A、m的值。
3、通过对管程内部插有螺旋线圈的空气—水蒸汽强化套管换热器的实验研究,测定其准数关联式NU=BRemPr0.4中常数B、m的值和强化比NU/NU0。
4、了解强化传热的基本理论和基本方式。
5、掌握换热器的操作方法。
二、实验内容
1、测定5~6个不同空气流速下普通套管换热器的对流传热系数αi。
2、应用线性回归的方法,求普通套管换热器准数关联式NU=ARemPr0.4中常数A、m的值。
3、测定5~6个不同空气流速下强化套管换热器的对流传热系数αi。
4、应用线性回归的方法,求强化套管换热器准数关联式中NU=BRemPr0.4常数B、m的值。
5、同一流量下,根据所得准数关联式NU=ARemPr0.4求NU0,计算传热强化Nu/Nu0。
6、在同一流量下分别求取普通套管换热器、强化套管换热器的总传热系数K0。
三、实验原理
1、对流传热系数
i的测定:
(4-1)
式中:
i—管内流体对流传热系数,w/(m2·℃);
Qi—管内传热速率,w;
Si—管内传热面积,m2;
Δtm—管内流体空气与管内壁面的平均温度差,℃;
传热速率:
(4-2)
式中:
V—空气流过测量段上平均体积,m3/h;ρat—测量段上空气的平均密度,kg/m3;
Cpat—测量段上空气的平均比热,J/(kg•K);Δt—传热管出口温度与空气进口温度之差,℃;
—内壁面与流体间的温差,℃。
由下式确定:
△tm=
当2>△t1/△t2>0.5时,可简化为
式中:
t1,t2—冷流体(空气)的入口、出口温度,℃;
Tw—壁面平均温度,℃;
2、对流传热系数准数关联式的实验确定:
流体在管内作强制对流时,处于被加热状态,准数关联式的形式为:
Nui=AReimPrin
其中,传热准数:
Nui=
,雷诺准数:
普朗特准数:
Pri=
测量段上空气的平均流速:
物性数据λi、cpi、ρi、μi可根据定性温度tm查得。
经过计算可知,对于管内被加热的空气,普朗特准数Pri变化不大,可以认为是常数,关联式可简化为Nu=ARemPr0.4。
通过实验确定不同流量下的Rei与Nui。
3、求关联式Nu=ARemPr0.4中的常数项
以Nu/Pr0.4为纵坐标,Re为横坐标,在对数坐标系上标绘
~Re关系,作图、回归得到准数关联式Nu0=ARemPr0.4中的常数。
处理强化管的实验数据,以Nu/Pr0.4为纵坐标,Re为横坐标,在对数坐标系上标绘Nu/Pr0.4~Re关系,作图回归得到准数关联式Nu=BRenPr0.4中的常数。
4、强化比的确定:
将强化套管换热器求得的Re、Pr数值分别带入普通管和强化管换热器所得的准数关联式中,可以得到Nu及Nu0,强化比=Nu/Nu0。
5、换热器总传热系数K0的确定
实验中若忽略换热器的热损失,在稳态传热过程中,空气升温获得的热量与对流传递的热量及换热器的总传热量均相等,则以外表面为基准的总传热系数
S0——传热管外表面传热面积(m2)
因为本实验中αi<<α0,故传热管内的对流传热系数αi≈热冷流体间的总传热系数K。
四、实验装置:
如下图
传热管系数实验装置结构参数:
实验内管内径d1(mm)
20.00
实验内管外径d2(mm)
22.0
实验外管内径D2(mm)
50
实验外管外径D2(mm)
57.0
测量段(紫铜内管)长度L(m)
第一套1.00
第二套1.20
强化内管内插物(螺旋线圈)尺寸
丝径h(mm)
1
截距H(mm)
40
加热釜
操作电压
≤200伏
操作电流
≤10安
1、温度测量
(1)空气入口温度t1、空气出口温度t2,由电阻温度计测量,由数字显示仪表直接读出。
第一套:
切换开关挡位分别对应的测温点是:
0——普通管空气入口温度、1——普通管空气出口温度、2——强化管空气入口温度、3——强化管空气出口温度、4——釜温。
第二套:
数字显示仪表显示的温度分别是:
0——普通管空气入口温度、1——普通管空气出口温度、2——强化管空气入口温度、3——强化管空气出口温度。
(2)壁面(外管内壁)平均温度Tw
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Tw表示。
第一套:
由数字毫伏计测出与其对应的热电势E(mv,热电偶是由铜----康铜组成),由公式Tw=8.5+21.26×E(mv)计算得到。
切换开关挡位分别对应的测温点是:
0——普通管壁面热电势、1——强化管壁面热电势。
第二套:
由数字显示仪表直接读取。
上——普通管壁面温度,下——强化管壁面温度。
2、空气流量测定V(m3/h)
V=Vt1×
(m3∕h)
式中Vt1—空气入口温度(即流量计处温度)下的体积流量,m3/h;
tm—测量段上空气的定性温度(即tm=
),℃;
t1,t2——分别为空气的进口温度及出口温度,℃;
Vt1的计算:
第一套:
*3600
ΔP—孔板两端压差,pa;
ρt1—空气入口温度(即流量计处温度)下的密度,kg/m3。
C0—孔板流量计孔流系数,C0=0.65
A0—孔的面积,m2;d0—孔板孔径,d0=0.017m;
第二套:
式中:
V20—20℃时体积流量,m3/h
V20=13.909×(△P)0.648
ΔP—孔板两端压差,kpa;
3、电加热釜是生产水蒸气的装置,使用体积为7升(加水至液位计的上端红外线),内装有一支2.5kw的螺旋形电热器,为了安全和长久使用,建议最高加热电压不超过200伏。
4、气源(鼓风机)又称旋涡气泵,XGB—2型,电机功率约0.75kw,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,
5、稳定时间是指在外管内充满饱和蒸汽,在排出口有适量的不凝汽(气)体排出,空气流量调节好后,过15分钟,空气出口的温度可基本稳定。
五、实验步骤
1.实验前的准备、检查工作
(1)第一套 向电加热釜加水至液位计上端红线处。
第二套:
向储水罐中加水至液位计上端处
(2)(第一套) 向冰水保温瓶加入适量的冰水。
(3) 检查空气流量旁路调节阀是否全开。
(4) 检查普通管支路各控制阀是否已打开,保证蒸汽和空气管线的畅通。
(5) 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)一段时间后水沸腾,水蒸汽自行充入普通套管换热器外管,观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出,标志着实验可以开始。
(2)约加热10分钟后,可提前启动鼓风机,保证实验开始时空气人口温度t1比较稳定。
(3)调节空气流量旁路阀的开度,使压差计的读数为所需的流量值(当旁路阀全开时,通过传热管的空气流量为所需的最小值,全关时为最大值)。
(4)稳定5—8分钟左右可转动各仪表选择开关读数t1、t2、E值。
(注意:
第1个数据点必须稳定足够的时间)。
(5)重复(3)与(4)共做5~6个空气流量值。
(6)最小,最大流量值一定要做。
(7)整个实验过程中,加热电压可以保持不变,也可随空气流量的变化作适当的调节。
3.转换支路,重复步骤
(2)的内容,进行强化套管换热器的实验,测定5~6组实验数据。
4.实验结束
(1)关闭加热器开关。
(2)过5分钟后关闭鼓风机,并将旁路阀全开。
(3)切断总电源。
(4)若需几天后再做实验,则应将电加热釜和冰水保温瓶中的水放干净。
六、注意事项
1、第一套由于采用热电偶测温,所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存;检查热电偶的冷端,是否全部没在冰水混和物中。
2、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,进行下一个实验之前,如果发现水位过低,应及时补给水量。
3、必须保证蒸汽上升管线的畅通。
既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。
在转换支路时,应先开启需要的支路阀,再关闭另一侧,且开启和关闭控制阀必须缓慢,防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。
4、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,然后开启和关闭控制阀。
5、电源线的相线,中线不能接错,实验桌铁架一定要接地。
7、调节流量后,应稳定3~8分钟后读取实验数据。
七、实验数据处理
表一、普通管实验数据处理表
设备编号:
1#传热管内径d1=20mm外径d2=22mm传热管长度:
L=1.00m
内传热面积S1=0.06284(m2)外传热面积S2=0.06912(m2)
孔板流量计:
Co=0.65do=0.017mAo=0.0002m2
NO.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
孔板流量计压差(KPa)
1.39
2.02
2.52
3.27
4.05
4.87
t1(℃)
26.30
27.60
30.00
32.90
35.60
38.40
t2(℃)
63.10
62.90
63.60
64.40
65.40
66.40
Tw(mv)
4.24
4.24
4.23
4.23
4.23
4.23
Tw(℃)
98.64
98.64
98.43
98.43
98.43
98.43
ρt1(Kg/m3)
1.18
1.18
1.17
1.16
1.15
1.14
tm(℃)
44.7
45.25
46.8
48.65
50.5
52.4
ρm(Kg/m3)
1.12
1.12
1.12
1.11
1.10
1.10
λm(W/m.k)
0.0278
0.0278
0.0280
0.0281
0.0282
0.0284
Cpm(J/Kg.k)
1009
1009
1009
1009
1009
1009
μm×100000
1.94
1.94
1.95
1.95
1.96
1.97
Δtm(℃)
51.78
51.39
49.75
48.07
46.34
44.57
V20(m3/h)
Vt1(m3/h)
25.73
31.07
34.82
39.83
44.50
48.99
Vm(m3/h)
27.31
32.90
36.75
41.88
46.64
51.19
um(m/s)
24.14
29.08
32.49
37.03
41.24
45.26
Q(W)
316.3
364.9
386.2
410.4
430.0
440.9
αi(W/m2℃)
97.2
113.0
123.5
135.8
147.7
157.4
Re
28759
34504
38185
43020
47384
50360
Nu
69.9
81.2
88.4
96.7
104.6
111.0
Pr
0.703
0.703
0.702
0.702
0.702
0.702
Nu/Pr0.4
80.5
93.5
101.8
111.4
120.5
127.9
普通管关联式Nu=0.0249Re0.7894Pr0.4A=0.0249,m=0.7894
K(W/m2℃)
88.4
102.7
112.3
123.5
134.2
143.1
计算实例:
已知:
传热管内径d=0.02m,流通截面积:
F=π*d2/4=3.142*0.022/4=0.0003142(m2)
传热管长度L=1.00m,传热面积S=π*d*L=3.142*0.02*1.0=0.06284(m2)
孔板流量计:
流量系数Co=0.65,孔板直径do=0.017m,孔板截面积Ao=π*d2/4(m2)
以第六组数据为例:
1、空气物理性常数的确定:
查表或根据回归公式计算可得:
t1=38.4(℃)ρt1=1.14(Kg/m3)
测量段上空气的定性温度
(℃)
测量段上空气的平均密度ρm=1.1(Kg/m3)。
平均比热Cpm=1009(J/Kg.k)
平均导热系数λm=0.0284(W/m.k),平均粘度μm=1.97*10-5(Pa.s)
2、冷热流体间的平均温差△tm=
(℃)
上式中传热管壁面平均温度Tw=8.5+21.26*E=8.5+21.26*4.23=98.48(℃)
3、管内平均体积流量:
(m3/h))
4、管内平均流速
(m/s)
5、传热速率
(W)
6、管内传热系数
(W/m2℃)
7、雷诺准数
传热准数
普兰特准数
8、求准数关联式Nu=ARemPr0.4中的常数项:
A,m。
计算
以Nu/Pr0.4为纵坐标,Re为横坐标,在双对数坐标系中绘Nu/Pr0.4--Re关系图,并进行回归公式。
见下图
9、计算强化比Nu/Nu0
将强化管的Re、Pr值带入普通管的准数关联式中,求Nuo
Nu0=0.0249Re0.7894Pr0.4=103.25强化比Nu/Nu0=129.3/103.25=1.25
10、管内总传热系数
(W/m2℃)
因为αi<<α0,因为本实验中αi<<α0,故传热管内的对流传热系数αi≈热冷流体间的总传热系数K。
(αi、α0分别为管内、外壁传热系数)
11、同理,处理强化管的实验数据,作图、回归得到准数关联式Nu=BRemPr0.4中的常数项B,m。
12、强化管的实验数见表二。
表二、强化管实验数据原始记录表
设备编号:
1#传热管内径d=20mm流通截面积:
F=0.0003142(m2)传热管长度:
1.00M传热面积S=0.06284(m2)孔板流量计:
Co=0.65do=0.017mAo=0.0002m2
NO.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
孔板流量计压差(KPa)
1.13
1.81
2.24
2.94
3.58
4.12
t1(℃)
27.10
29.20
32.20
34.90
37.90
39.70
t2(℃)
67.70
68.30
69.70
70.50
71.40
72.30
Tw(mv)
4.24
4.24
4.24
4.24
4.24
4.24
Tw(℃)
98.64
98.64
98.64
98.64
98.64
98.64
ρt1(Kg/m3)
1.18
1.17
1.16
1.16
1.15
1.14
tm(℃)
47.4
48.75
50.95
52.7
54.65
56.00
ρm(Kg/m3)
1.11
1.11
1.10
1.10
1.09
1.09
λm(W/m.k)
0.0280
0.0281
0.0283
0.0284
0.0285
0.0286
Cpm(J/Kg.k)
1009
1009
1009
1009
1009
1009
μm×100000
1.95
1.96
1.97
1.97
1.98
1.99
Δtm(℃)
48.44
47.22
45.12
43.54
41.78
40.48
V20(m3/h)
Vt1(m3/h)
23.22
29.48
32.93
37.87
41.97
45.15
Vm(m3/h)
24.79
31.38
34.96
40.06
44.23
47.50
um(m/s)
21.92
27.75
30.90
35.42
39.11
41.99
Q(W)
314.3
381.6
405.0
438.3
452.7
471.1
αi(W/m2℃)
103.3
128.6
142.8
160.2
172.5
185.2
Re
25062
31493
34659
39347
42985
45818
Nu
73.8
91.5
101.1
112.8
120.8
129.3
Pr
0.702
0.702
0.702
0.701
0.701
0.701
Nu/Pr0.4
85.0
105.4
116.4
130.0
139.3
149.1
强化管关联式Nu=0.0073Re0.9244Pr0.4B=0.0073,m=0.9244
Nu0
64.18
76.85
82.87
91.58
98.19
103.25
Nu/Nu0
1.15
1.19
1.22
1.23
1.23
1.25
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