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换热器实验
12传热综合实验
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ai的测定方法,加深对其概念和影响因素的确良理解。
并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。
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,测定其准数关联式Nu=Brem中常数B、m的值和强化比Nu/Nu。
,了解强化传热的基本理论和基本方式。
3.通过对几种各具特点、不同形式的热电偶线路的实验研究,掌握热电偶的基本理论以及第三导线、补偿导线的概念,了解热电偶正确的使用方法。
二.实验内容与要求
实验3—1
实验3—2
实验3—3
实
验
内
容
与
要求
⑴测定5—6个不同流速下简单套管换热器的对流传热系数ai;
(2)对ai的实验数据进行线性回归,求关联式Nu=AremPr0.4中常数A、m的值。
⑴测定5—6个不同流速下强化套管的对流传热系数ai;
⑵对ai的实验数据进行线性回归,求关联式Nu=AremPr0.4中常数A、m的值。
⑶同一流量下,按实验一所得准数关联式求得Nu。
,计算传热强化比Nu/Nu。
⑴在热电偶热端恒定不变的情况下测量1—7号线路的热点势,观察不同线路的情况。
⑵同时测量4号(5号)线路在t=t,t>t,t ⑶分别测量8号线路补偿导线的两种不同接法时的热电势,确定正确的联接方法。 三.实验原理 实验3—1 普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定 1.对流传热系数a可以根据牛顿冷却定律,用实验测定 a= 式中: a—管内流体对流传热系数,W/(m.c); Qi—管内传热速率,W; Si—管内换热面积,m; Tm—对数平均温差,C; 对数平均温差由下式确定: t= 式中: t,t—冷流体的入口,出口温度,C; t—壁面平均温度,C; 因为传热管为紫铜管,其导热系数很大,而管壁又薄,故认为内壁温度,外壁温度和壁面温度近似相等,用tw来表示。 管内换热面积: Si= 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=Wi 其中质量流量四下式求得: Wi=Vi/3600 式中: Vi—冷流体在套管内的平均体积流量,m/h; Cpi —冷流体的定压比热,KJ/(kg.C); —冷流体的密度kg/m; cpi和j可根据定性温度Tw查得,Tw=t1+t3/2为泠流体进出口平均温度。 T1*T2,tm,Vi可采取一定的测量物段得到。 2对流传热系数准数关联式的实验确定 流体在管内作强制湍流,被加热状态,准数关联式的形式为 Nui= 其中Nui=,Rei=;Pri=; 物性数据c;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,普兰特准数Pri变化不大,可以认为是常数,则关联式的形式可简化为 Nui= 这样通过实验确定不同流量下的Rei与Nui,然后用线性回归方法确定A和m的值。 一.实验装置的基本功能和特点 本实验装置是以空气和水蒸气为介质,对流换热的简单套管换热器和强化内管的套管换热器。 通过对本换热器的实验研究,可以掌握对流传热系数A的测定方法,加深对其概念和影响因素的理解。 并应用线性回归分析方法,确定关联式N=Are中常数A,mr的值。 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,测定其准数关联式Nu=BR中常数B,m的值和强化Nu/Nu,了解强化传热的基本理论和基本方式。 实验装置的主要特点如下: 1,实验操作方便,安全可靠。 2,数据稳定,强化效果明显,用图解法求得的回归式与经验化式很接近. 3,水、电的耗用小,实验费用低。 4,箱式结构,外观整洁,移动方便。 二、强化套管换热器实验简介 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,以减小换热器白体积和重量;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的比值技术参数,且长径比是影响传热效果和阴力系数的重要因素。 科学家用通过实验研究总结了形式为Nu=Brem的经验公式,其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。 采用实验3—1中的实验方法确定不同流量下的RE与Nu,用线性回归方法可确定B和m的值。 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: Nu/Nu,其中Nu是强化管的努塞尔准数,Nu是普通管的努塞尔准数,显然,强化比Nu/Nu>1,而且它的值越大,强化效果越好。 三、设备主要技术数据 1、传热管参数 表1 实验装置结构参数 实验内管内径di(mm) 19.25 实验内管外径do(mm) 22.01 实验内管内径Di(mm) 50 实验内管外径Do(mm) 52.5 总管长(紫铜内管)L(mm) 1.30 测量段长度l(mm) 1.00 强化内管内插物 (螺旋线圈)尺寸 丝径h(mm) 1 节距H(mm) 40 加热釜 操作电压 ≦200伏 操作电流 ≦10安 L/d=1300/19.25≈67.6>60 V=23.80 其中: V—空气入口温度(及流量计处温度)下的体积流量,m/h; p—孔板两端压差,Kpa; —空气入口温度(及流量处温度)下密度Kg/m。 2、空气流量计 (1)由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成都市空气流量计。 (2)不锈钢孔板的孔径比m=17mm/44mm≈0.39 (3)孔板流量计为非标准设计,故进行了整体校正,得到空气流量V(m/h)与压差之间的关系,由公式 (1)计算。 (4)要想得到实验条件下的空气流量V(m/h),则需按下式计算: V=V 其中: V——实验条件(管内平均温度)下的空气流量,m/h; at——管内平均温度,C; ti——传热内管空气进口(即流量计处)温度,C; 3、温度测量 (1)空气入传热管测量段前的温度t(C),由电阻温度计测量,可由数字显示仪表直接读出。 (2)空气出热管测量段时的温度t(C),由电阻温度计测量,可由数字显示仪表直接读出。 (3)管内壁面平均温度Tw(C)由数字式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),再由E根据公式: T(C)=8.5+21.26*E(mv)计算得到。 4、电加热釜 是产生水蒸水汽的装置,使用体积为7升(加水至液位计的上端红线),,内装有一支2。 5kw的螺旋形电热器,当水温为30C时,用200伏电压加热,约25分钟后水便沸腾,为了安全和长久使用,建议最高加热(使用)电压不超过200伏(由固态调压器调节)。 5、气源(鼓风机) 又称旋涡气泵,XGB—2型,由无锡市仪表二厂生产,电机功率约0.75kw(使用三相电源),在本实验装置上,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。 6、稳定时间 是指在外管内充满饱合蒸汽,并在不凝气排出口有适量的汽(气)排出,空气流量调节器好后,过15分钟,空气出口的温度t(C)可基本稳定。 四、实验设备流程图: 见附图所示。 五、实验方法及步骤 1、实验前的准备和检查工作。 (1)、向电加热釜加水至液位计上端红线处。 (2)、向冰水保温瓶中加入适量的冰水,并将冷端补偿热电偶插入其中。 (3)、检查空气流量旁路调节阀是否全开,电压调节电位器是否旋至最左端(逆时针方向)。 (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,启动电加热开关,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)约加热十分钟后,可提前启动鼓风机,保证实验开始时空气入口温度t(C)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空气流量值(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取t,t,E值。 (注意: 第一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(调节)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、用本实验设备应注意的事项 1、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,是否全部浸没在冰水混合物中。 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。 即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,现关闭另一侧,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(最起码也要接中线)。 6、数字电压表及温度、压差的数字显示仪表的信号转入端不能“开路”。 7、尽量避免在旁路阀全关的情况下启动鼓风机。 实验设备流程图:
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