热力学实验：空气-水蒸气传热综合实验(套管,列管)

量综合实验

目 录

一、实验目的： ........................................................................................ 1 二、实验内容： ........................................................................................ 1 三、实验原理： ........................................................................................ 1 1.普通套管换热器传热系数测定及准数关联式的确定： ..................... 1 2.强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定 ................. 2 3.列管换热器总传热系数K ..................................................................... 3 四、实验装置的基本情况 ........................................................................ 4 1.实验装置流程示意图 ............................................................................. 4 2.实验设备主要技术参数 ......................................................................... 6 五、实验操作步骤 .................................................................................... 6 六、实验注意事项 .................................................................................... 7 七、实验数据记录及数据处理过程 ........................................................ 7 1.光滑管及强化实验数据计算 ................................................................. 7 2.列管换热器总传热系数的测定数据计算 ............................................. 9

一、实验目的：

1.通过对空气—水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数i的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。

2.通过对管程内部插有螺旋线圈的空气—水蒸气强化套管换热器的实验研究， 掌握对流传热系数i的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。

3.通过变换列管换热器换热面积实验测取数据计算总传热系数k，加深对其概念和影响因素的理解。

4.认识套管换热器（光滑、强化）、列管换热器的结构及操作方法，测定并比较不同换热器的性能。

二、实验内容：

1.测定5-6组不同流速下简单套管换热器的对流传热系数i。 2.测定5-6组不同流速下强化套管换热器的对流传热系数i。 3.测定5-6组不同流速下空气全流通列管换热器总传热系数k。 4.测定5-6组不同流速下空气半流通列管换热器总传热系数k。

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的确定： （1）对流传热系数i的测定：

对流传热系数i可以根据牛顿冷却定律，通过实验来测定。 QiiSitm （1）

1

iQi （2）

tmSi式中：i—管内流体对流传热系数，W/(m2·℃)； Qi—管内传热速率，W； Si—管内换热面积，m2；

tm—壁面与主流体间的温度差，℃。

平均温度差由下式确定： ttWt2tWt1 （3）

mttlnW2tWt1式中：t1—冷流体的入口温度，℃； t2—冷流体的出口温度，℃； 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、外壁温度和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近似等于热流体的平均温度。

管内换热面积：

SidiLi （4）

式中：di—内管管内径，m；

Li—传热管测量段的实际长度，m。 由热量衡算式：

QiWicpi(t2t1) （5）

Vii （6） 3600其中质量流量由下式求得： Wi式中：Vi—冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h； cPi—冷流体的定压比热，kJ/(kg·℃)； ρi—冷流体的密度，kg /m3。

cPi和ρi可根据定性温度tm查得， tmt1t2为冷流体进出口平均温度。 2 t1，t2， tw， Vi可采取一定的测量手段得到。

2.强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定：

强化传热技术，可以使初设计的传热面积减小，从而减小换热器的体积和重量，提高了

2

现有换热器的换热能力，达到强化传热的目的。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。强化传热的方法有多种，本实验装置采用了螺旋线圈的方式进行强化传热的。 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（2d/h）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。

3.列管换热器总传热系数K的计算：

总传热系数k是评价换热器性能的一个重要参数，也是对换热器进行传热计算的依据。对于已有的换热器，可以通过测定有关数据，如设备尺寸、流体的流量和温度等，通过传热速率方程式计算k值。

传热速率方程式是换热器传热计算的基本关系。该方程式中，冷、热流体温度差△T是传热过程的推动力，它随着传热过程冷热流体的温度变化而改变。 传热速率方程式 QKoSoTm （9） 热量衡算式 QCpW(T2-T1) （10） 总传热系数 Ko图1 螺旋线圈强化管内部结构

CpW(T2-T1) （11）

SoTm TT1t2T2t1 （12）

mTtln12T2t1式中： Q--热量(W) ； So--传热面积(m2)；

△Tm--冷热流体的平均温差（℃）； Ko---总传热系数（W/(m2·℃)）；

3

CP--比热容 (J/(kg·℃))；

W--空气质量流量 (kg/s) ； T1--空气进口温度(℃)； T2--空气出口温差(℃)。

列管换热器的换热面积 SondoLo 式中：d0--列管换热器直径（m）； Lo--列管长度（m）； N--列管根数。 四、实验装置的基本情况：

1.实验装置流程示意图：

14132184P216151126171087119

图2 化工传热综合实验装置

1- 列管换热器空气进口阀；2-套管换热器空气进口阀；4-压差传感器；6-空气旁路调节阀；

7-旋涡气泵；8-储水罐9-排水阀；10-液位计；11蒸汽发生器；12-散热器；13-套管换热器；14-套管换热器蒸汽进口阀；15-列管换热器；16-列管换热器蒸汽进口阀；17-玻璃观

4

察段；18-不凝气放气阀；P1-压差传感器；

上-套管空气入口温度（℃）下-套管空气出口温度（℃）套管壁面温度（℃）B1702MFJ0J0701MFB2上-列管蒸汽入口温度（℃）上-列管空气入口温度（℃）下-列管蒸汽出口温度（℃）下-列管空气出口温度（℃）B3702MFJ0J0702MFJ0J0B4 孔板压差(kPa)加热电压(V)B5501FV24519FX3B6 换热器压差(kPa)加热器内温度（℃）B7501FV24501FB8总电源变频器风机加热

图2 化工传热综合实验装置面板示意图

5

2.实验设备主要技术参数：

表1 实验装置结构参数 套管换热器实验内管直径（mm） 测量段（紫铜内管、列管内管）长度L（m） 强化传热内插物 （螺旋线圈）尺寸 丝径h（mm） 节距H（mm） Φ22×1 1.20 1 40 Φ57×3.5 Φ19×1.5，n=6 Φ89×3.5 c0=0.65、d0 =0.017 m XGB─12型 套管换热器实验外管直径（mm） 列管换热器实验内管直径（mm），根数 列管换热器实验外管直径（mm） 孔板流量计孔流系数及孔径 旋涡气泵 五、实验操作步骤：

1.实验前的准备及检查工作：

（1）向储水罐8中加入蒸馏水至液位计上端处。 （2）检查空气流量旁路调节阀6是否全开（应全开）。

（3）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（至少有一个换热器的蒸汽进口阀门全开）。

（4）接通电源总闸，设定加热电压。 2.光滑套管实验

（1）准备工作完毕后，打开蒸汽进口阀门14和套管换热器排气阀18，启动仪表面板加热开关，对蒸汽发生器内液体进行加热。当所做套管换热器内管壁温升到接近100℃并保持5分钟不变时，关闭套管换热器排气阀18，打开阀门2，全开旁路阀6，启动风机开关。 （2）风机启动后，利用用旁路调节阀6来调节流量，调好某一流量后稳定5分钟后，分别记录空气的流量、空气进、出口的温度及壁面温度。

（3）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.强化实验：

全部打开空气旁路阀6，停风机。把强化丝装进套管换热器内并安装好。实验方法同步骤2。

4.列管换热器传热系数测定实验：

6

（1）列管换热器冷流体全流通实验，打开蒸汽进口阀门16和列管换热器排气阀18，当蒸汽出口温度接近100℃并保持5分钟不变时，关闭列管换热器排气阀18，打开阀门1，全开旁路阀6，启动风机，用旁路调节阀6来调节流量，调好某一流量后稳定3-5分钟后，分别记录空气的流量、空气进、出口的温度及蒸汽的进出口温度。

（2）列管换热器冷流体半流通实验，用准备好的丝堵堵上一半面积的内管，打开蒸汽进口阀门16，当蒸汽出口温度接近100度并保持5分钟不变时，打开阀门1，全开旁路阀6，启动风机，利用旁路调节阀6来调节流量，调好某一流量后稳定3-5分钟后，分别记录空气的流量、空气进、出口的温度及蒸汽的进出口温度。

5.实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。 六、实验注意事项：

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。即在开启加热电压之前，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5-8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。 七、实验数据记录及数据处理过程（举例说明）

1.光滑管及强化实验数据计算。

空气孔板流量计压差P=0.87 kPa， 壁面温度tw =99.4℃ 进口温度t1 =15.8℃， 出口温度 t2 =82.9℃ 传热管内径di (mm)及流通断面积 F(m2)： di＝20.0(ｍｍ)＝0.0200 (ｍ)；

F＝π(di2)／4＝3.142×(0.0200)2／4＝0.0003142( m2) 传热管有效长度 L(ｍ)及传热面积si(m2) L＝1.200（ｍ) si＝πL di＝3.14×1.200×0.0200＝0.075394(m2). 传热管测量段上空气平均物性常数的确定

7

先算出测量段上空气的定性温度t (℃)为简化计算,取t值为空气进口温度t1(℃)及出口温度t2(℃)的平均值：

即tt1t215.882.9=49.35（℃） 22据此查得: 测量段上空气的平均密度 ρ＝1.11(kg/m3)；

测量段上空气的平均比热 Cp＝1005 (J/kg·k)； 测量段上空气的平均导热系数 λ＝0.0282（W/ｍ·k)； 测量段上空气的平均粘度 μ＝0.0000195（Pas）；

传热管测量段上空气的平均普兰特准数的0.4次方为: Pr0.4＝0.6960.4＝0.865 空气流过测量段上平均体积V（m3/h）的计算: 孔板流量计体积流量：

Vt1c0A02Pt1

=0.65×3.14×0.0172×3600/4×

传热管内平均体积流量Vm: VmVt120.811000=20.03（m3/h）

1.11273t27349.35=22.36（m3/h） 19.60273t127315.8平均流速um: umVm22.36=19.77（m/s）

F36000.00031423600冷热流体间的平均温度差Δtm (℃)的计算: 测得 tw=99.4(℃)

t1t2tmtw99.449.3550.05（℃）

2其他项计算: 传热速率(W)QVtCptt360022.361.111005(82.9-15.8)464（W）

3600 8

iQ464123 （W/m2·℃）

tmsi49.350.07539idi i 传热准数 Nui

1230.020087

0.0282测量段上空气的平均流速： 雷诺准数 Reiu19.77（m/s）

uidiii

0.020019.771.11 =2.41×104

0.0000192以

Nu-Re作图、回归得到准数关联式NuARemPr0.4中的系数。 0.4PrA=0.0284,、m=0.7163 。

Nu0.0284Re0.7163Pr0.4

重复步骤以上计算步骤，处理强化管的实验数据。作图回归得到准数关联式NuBRe中的系数。Num0.0228Re0.7748Pr0.4

2.列管换热器总传热系数的测定数据计算 空气孔板流量计压差为1.21kPa

空气进口温度14.3℃； 空气出口温度77.3℃ 蒸汽进口温度101.0℃ 蒸汽出口温度100.8℃。 换热器内换热面积：SindiLi d=0.0.19m L=1.2m 管程数n=6根

S=3.14 0.0191.26=0.4295（m2）

体积流量：

Vt1c0A02Pt1

式中：c0=0.65 d0 =0.017 m 查表得密度ρ=1.227 kg/m3

9

VT1=0.65校正后得；

40.017221.211000= 23.58（m3/h）

1.227 VmVt1273tm

273t114.377.3273()2 23.58

27314.3 =26.16 （m3/h）

在tm下查表得密度ρ=1.12 kg/m3 CP=1005 J/kg·k 所以 WmVmm

360026.121.12=0.0081（kg/h）

3600 根据热量衡算式： QCpW((T2-T1)

=0.00811005（77.3-14.3） =515.29（W）

△t1=T1-t2= 101.0 -77.3=86.7（℃） △t2=T2-t1=100.8-14.3=23.5（℃） △Tm==t1t286.723.5

t186.7ln()ln()t223.5=48.51（℃）

由传热速率方程式知： 总传热系数 KoQ515.29 ==24.73（W/(m2·℃)）

SoTm0.429548.51表2 实验装置数据记录及整理表（光滑管换热器）

No. 空气流量压差（kPa) 空气入口温度t1 (℃） ρt1(kg/m3) 1 1.97 19.4 1.21 2 2.65 19.8 1.21 3 3.35 21.6 1.20 4 3.99 24.4 1.19 5 4.69 26.9 1.18 6 4.99 29 1.18 10

空气出口温度t2 (℃） tw (℃） tm (℃） ρtm (kg/m3) λtm ×102（W/ｍ·k) Cptm (J/kg·k) μtm ×10-5（Pa·s） t2-t1(℃） △tm(℃） Vt1(m3/h) Vtm(m3/h) u (m/s) qc (W) （W/m2·℃） Re Nu Nu/(Pr0.4) 58.2 99.4 38.80 1.14 2.74 1005 1.91 38.80 60.60 30.30 32.31 28.56 400 88 34290 64 74 57.6 99.3 38.70 1.14 2.74 1005 1.91 37.80 60.60 35.16 37.43 33.09 452 99 39746 72 84 57.5 99.3 39.55 1.14 2.74 1005 1.91 35.90 59.75 39.63 42.04 37.18 481 107 44445 78 90 58.6 99.3 41.50 1.13 2.76 1005 1.92 34.20 57.80 43.42 45.92 40.60 497 114 48032 83 96 59.7 99.3 43.30 1.13 2.77 1005 1.93 32.80 56.00 47.25 49.83 44.06 515 122 51617 88 102 60.8 99.3 44.90 1.12 2.78 1005 1.93 31.80 54.40 48.88 51.45 45.50 513 125 52841 90 104 表3 实验装置数据记录及整理表（强化管换热器）

No. 空气流量压差（kPa) 空气入口温度t1 (℃） ρt1(kg/m3) 空气出口温度t2 (℃） tw (℃） tm (℃） ρtm (kg/m3) λtm ×102（W/ｍ·k) Cptm (J/kg·k) μtm ×10-5（Pa·s） t2-t1(℃） △tm(℃） Vt1(m3/h) Vtm(m3/h) u (m/s) qc (W) （W/m2·℃） 1 0.87 15.8 1.22 82.9 99.4 49.35 1.11 2.82 1005 1.95 67.10 50.05 20.03 22.36 19.77 464 123 2 1.33 16.9 1.22 81.8 99.3 49.35 1.11 2.82 1006 1.95 64.90 49.95 24.81 27.58 24.39 554 147 11

3 1.72 21.1 1.20 81.7 99.2 51.40 1.10 2.83 1007 1.96 60.60 47.80 28.38 31.30 27.68 584 162 4 2.17 27.6 1.18 82.5 99.3 55.05 1.09 2.86 1008 1.98 54.90 44.25 32.17 35.11 31.04 587 176 5 2.24 30.7 1.17 83.1 99.2 56.90 1.08 2.87 1009 1.99 52.40 42.30 32.83 35.66 31.53 567 178

Re Nu Nu/(Pr0.4) 22413 87 101 27649 105 121 31027 114 132 34116 123 142 34308 124 143 12

表4 列管换热器全流通数据记录表： 空气流量空气进口序号 压差ΔP 温度t1 1 2 3 4 5 6

换热器空空气入口进出口平气平均密序号 密度ρt1 均温度tm 度 1 2 3 4 5 6 7 （kg/m3) 1.227 1.223 1.218 1.211 1.204 1.194 1.185 (℃) 45.8 45.7 46.2 47 48 49.6 51.3 （kg/m3) 1.120 1.120 1.119 1.116 1.113 1.107 1.101 （KPa） 1.21 2.33 3.47 4.52 5.52 6.55 （℃） 14.3 15.4 17.1 18.9 21.2 24 空气出口温度t2 （℃） 77.3 76 75.3 75.1 74.8 75.2 蒸汽进口温度T1 （℃） 101 100.9 100.9 100.9 100.9 100.9 蒸汽出口体积流量换热器体空气进出口对流传热系Vt1 温度T2 积流量Vm 质量流量 温差 传热量Q 数Ko （Kpa） （m3/h) 100.8 100.8 100.8 100.8 100.8 100.8 23.58 32.76 40.08 45.86 50.84 55.60 （m3/h) 26.16 36.21 44.10 50.27 55.47 60.40 （Kg/s) 0.0081 0.0113 0.0137 0.0156 0.0171 0.0186 （℃） 63.0 60.6 58.2 56.2 53.6 51.2 （W) 515.29 686.23 801.50 880.15 923.45 955.68 （W/m2.s) 24.73 32.54 38.05 42.19 44.81 47.66 Δt2-Δt1 62.8 60.5 58.1 56.1 53.5 51.1 48.8 ln(Δt2/Δt1) 1.29 1.23 1.18 1.16 1.12 1.09 1.08 Δtm (℃) 48.51 49.09 49.04 48.57 47.98 46.68 45.30 λtm×100 （W/m.s) 2.79 2.79 2.79 2.80 2.81 2.82 2.83 Cp tm （kW/kg.℃) 1005 1005 1005 1005 1005 1005 1005 μtm×105 (Pa.s) 1.94 1.94 1.94 1.94 1.95 1.96 1.96 换热面积 （m2) 0.4296 0.4296 0.4296 0.4296 0.4296 0.4296 u (m/s) 4.27 5.92 7.20 8.21 9.06 9.87 0.4296 10.63 13

表5 列管换热器半流通数据记录表

空气流量空气进口序号 压差ΔP 温度t1 1 2 3 4 5 6 7 （kPa） 1.22 2.23 3.2 4.27 5.4 6.32 7.25 （℃） 11.6 13.2 14.8 16.8 19.6 22.7 25.3 空气出口温度t2 （℃） 70.3 70.7 70.3 70.3 70.3 70.8 71.5 蒸汽进口温度T1 （℃） 101 101 101 101 101 101 101 蒸汽出口体积流量换热器体空气进出口对流传热系Vt1 温度T2 积流量Vm 质量流量 温差 传热量Q 数Ko （kpa） （m3/h) 100.8 100.8 100.8 100.8 100.8 100.8 100.8 23.58 31.96 38.37 44.44 50.17 54.52 58.61 （m3/h) 26.0 35.2 42.1 48.5 54.5 59.0 63.1 （kg/s) 0.0082 0.0111 0.0132 0.0152 0.0170 0.0183 0.0195 （℃） 58.7 57.5 55.5 53.5 50.7 48.1 46.2 （W) 484.5 639.6 737.1 817.5 866.5 884.0 904.9 （W/m2.s) 41.13 55.18 63.93 71.88 77.70 81.64 86.08 换热器空空气入口进出口平气平均密序号 密度ρt1 均温度tm 度 1 2 3 4 5 6

（kg/m3) 1.236 1.231 1.225 1.219 1.209 1.199 (℃) 40.95 41.95 42.55 43.55 44.95 46.75 （kg/m3) 1.136 1.133 1.131 1.128 1.123 1.117 Δt2-Δt1 58.5 57.3 55.3 53.3 50.5 47.9 ln(Δt2/Δt1) 1.07 1.06 1.03 1.01 0.97 0.95 Δtm (℃) 54.85 53.97 53.68 52.95 51.92 50.41 λtm×100 （W/m.s) 2.75 2.76 2.77 2.77 2.78 2.80 Cp tm （kW/kg.℃) 1005 1005 1005 1005 1005 1005 μtm×105 (Pa.s) 1.92 1.92 1.92 1.93 1.93 1.94 换热面积 （m2) 0.2148 u (m/s) 8.50 0.2148 11.49 0.2148 13.74 0.2148 15.86 0.2148 17.81 0.2148 19.26 14