实验08：传热综合实验（气-汽对流传热系数的测定）
(1) 测定空气在光滑管内湍流流动时的对流传热系数 αi。掌握αi的实验测定方法，加深传热基本知识和影响传热性能因素的理解。
(2) 测定空气在强化管内湍流流动时的对流传热系数 αi，研究强化管中空气-水蒸气的传热性能，熟悉强化传热的基本理论，熟悉强化传热的实验方法。
(3) 应用线性回归分析方法确定关联式 Nu＝A.RemPr0.4 中 A, m值，计算强化比 Nu/Nu0。
(4) 了解变频器的使用方法。
工业生产中常用换热器实现加热或冷却。换热器结构型式繁多，性能差异较大。一般通过实验方法研究换热器的性能，分析影响其传热的主要因素，进行换热器的选型与设计。
对热负荷和冷+热流体确定的体系，Q＝KA∆tm，总传热系数 K 越大，换热面积 A越小，设备费越低。
间壁式换热是由“管程侧的对流传热”+“管壁及垢层的导热”+“壳程侧的对流传热”三个传热过程组成。对于一侧流体的对流传热，提高对流传热系数 α 方法有很多，如增大 Re，增加流体湍动程度，同时会引起流体流动阻力 ∆pf 增大和设备运行能耗的增加，操作费将增大。可见，研究换热器的传热性能应综合考虑设备费与操作费，使其经济最优化。因此，在设计或选用换热器时，要在压降 ∆pf 和 K 之间寻找设计的最佳值，在阻力相对小下达到较高的传热效果。
对流传热系数 α 是影响换热器性能的主要参数之一。本实验采用套管式换热器，管程~空气，壳程~水蒸气，采用实验方法测定管程空气在做强制湍流时的对流传热系数 α。
2.1 对流传热系数αi的确定
根据牛顿给热定律 Q＝α.S.∆tm，空气侧对流传热系数 αi：
式中，αi-管程空气侧(空气与内管内壁面间)的对流传热系数，W/(m2·℃)；Q -传热速率，W；Si-管内侧表面积，m2；∆tm-管内壁面与空气间的传热平均温差，℃。
(1) 管内侧的表面积：
式中，di -内管管内径Φ22×2，di＝0.02 m；L-传热管测量段的实际长度，管长为1.0 m。
(2) 传热平均温差 ∆tm 确定：
式中，t1，t2–空气的进、出口温度，℃； tw-内管外壁面平均温度，℃。
说明：因换热器内管为紫铜管，其导热系数386.4 W/(m·℃)很大，且管壁很薄，认为其内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，均用tw 来表示。
(3) 空气侧进行热量衡算，可得换热器的传热速率Q：
式中，Vm –空气的平均体积流量，m3/h；Cpm –温度tm 下空气的定压热容，kJ/(kg·℃)；ρm –温度tm 下空气的密度，kg/m3。Cpm 和 ρm可根据定性温度 tm 查得，参考化工原理上册附录；
(3a) 定性温度：是空气进口温度t1、出口温度t2的平均值。
说明：t1，t2，tw，Vm(△p转换)均由实验测量得到，是某个空气流量下的数据。
(3b) 空气的体积流量 Vm
实验装置釆用孔板流量计测量流量，读取测量孔板前后的压差∆p，直接读岀流量。
经标定，20 ℃时孔板流量计的压差与空气流量之间关系：
在空气进口处，温度为t1，需要将流量变换为t1下的：
式中，∆p - 孔板两端的压差，kPa；V20 - 20℃时空气的体积流量，m3/h；Vt1 - 空气入口的体积流量，m3/h，近似看作流量计处体积流量； t1 -空气入口温度，℃。
空气在套管换热器内由进到出温度升高，管内空气的体积流量需用平均值，校正为：
式中，Vm –空气在套管内的平均体积流量，m3/h。
2.2 对流传热准数关联式的实验确定
对流传热过程复杂，影响因素极多，常采用因次分析法研究。先分析各影响因素，建立无因次准数方程，再通过实验确定待定参数，获得各影响因素的定量关系。
管内强制对流且无相变发生时的对流传热，影响因素为：
进行无因次处理，得：
低粘度流体在管内无相变、作强制湍流时：
流体被加热 n=0.4，冷却 n=0.3，参考教材tdp252。
本实验中，空气在管内作强制湍流，被加热，则准数关联式为：
式中，
空气的物性数据 λm, Cpm, ρm, μm 均根据定性温度 tm 求得；
管内空气的平均流速，
此情况下，普兰特准数Pr也近似为常数。
这样，通过测定空气在不同流量下的Re与Nu，用图解法或回归法，可确定A和m值。
2.4 强化比的确定
强化传热为第二代传热技术。强化传热能减小传热面积，进而减小换热器的体积和质量；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；能够降低换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，有效地利用能源。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。如图所示，内部插入螺旋线圈的强化管。螺旋线圈由直径1 mm 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。
在近管壁区，流体一方面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，另外还可以周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，使传热强化。因绕制线圈的金属丝直径很细，流体旋流强度也较小，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的比值作为技术参数，且节距与管内径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。
单纯研究强化效果(不考虑阻力的影响)，可以用强化比的概念作为评判准则，其形式是：
强化比 = Nu/Nu0
式中，Nu 是强化管的努塞尔数，Nu0 是普通管的努塞尔数。
显然，强化比Nu/Nu0>1，且其值越大，强化效果越好。
说明：如果评判强化方式的真正效果和经济效益，则必须考虑阻力因素，只有强化比较高，且阻力系数较小的强化方式，才是最佳的强化传热的方法。
2.1 换热器的总传热系数 K
本实验用套管换热器，基于管内侧面积 Si 的总传热系数 Ki 为：
实验中，管壁很薄( b＝1 mm )，可看作平壁处理。内管为紫铜管( λ 很大)，忽略管壁和污垢热阻，则总传热系数为：
式中，αi, αo – 分别为空气侧和蒸汽侧的对流传热系数，W/(m2.℃)。
因
3.1 实验装置 如图1, 2
图1 空气-水蒸气传热综合装置流程示意图
1-风机(旋涡气泵); 2-旁路调节阀(旁路阀); 3-孔板流量计; 4-普通套管换热器(普通管); 5-强化套管换热器(内插有螺旋线圈，强化管); 6-普通套管空气进口阀; 7-强化套管空气进口阀; 8,9-蒸汽放空阀; 10-普通套管蒸汽进口阀; 11-强化套管蒸汽进口阀; 12-蒸汽发生器; 13-储水槽; 14-排水阀; 15-液位计；
t1, t2 – 普通管空气进、出口温度; t3, t4 – 强化管空气进、出口温度; T-管壁温度。
图2 仪表区面板
1-总电源开/关; 2-旋涡气泵开/关; 3-加热器开/关; 4-加热电压控制器; 5-套管空气进、出口温度显示(t1, t2, t3, t4); 6-管壁温度tw显示(上排为普通管, 下排为强化管); 7-孔板流量计的压差显示∆p (kPa); 8 - 变频器。
(1) 实验装置结构参数：
主体为两根套管换热器，内管均为紫铜管，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。普通套管内壁光滑，强化套管内管中插有螺旋线圈。
套管内管：ϕ 22×1，紫铜内管，内管壁厚= 1 mm。
套管外管：ϕ 57×3.5，不锈钢管。
套管长度 1.20 m，本实验测量段实际长度 L =1.00 m
强化内管的螺旋线圈尺寸：丝径 h=1~3 mm；节距 H= 40 mm
(2) 蒸汽发生器：
采用电加热釜产生水蒸汽，容积为7升，内装有一支2.5 kW的螺旋形电热器。为了安全使用，加热电压最高不超过200伏(由调压器调节)。本实验加热电压设定为 160 伏左右。
(3) 气源(鼓风机)：
采用 XGB-2 型旋涡气泵，电机功率约 0.75 kW(用三相电源)。本装置使用过程中，输出空气的温度呈不断上升趋势。
3.2 实验流程
(1) 空气由旋涡气泵(可用变频器调节电机转速)供给，流量由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由待测套管空气进口阀(一般为全开)控制进入套管内管，出口处空气直接排出。
(2) 蒸汽由电加热釜产生后上升，经待测蒸汽进口阀控制进入套管环隙，逆流换热后，出口处蒸汽经放空阀(全开)直接放空，环隙中冷凝水由疏水管回流到储水槽。
3.3 被测参数及测量方法
被测参数：空气体积流量 Vm(△p转换)，入口温度 t1，出口温度 t2和壁面温度 tw。
(1) 空气的体积流量 Vm
本装置釆用孔板流量计测量流量，通过测量孔板前后的压差∆p，由差压变送器输岀电信号，传入控制面板，直接读岀流量。
经标定，20 ℃时孔板流量计的压差与空气流量之间关系：
在空气进口处，温度为t1，需要将流量变换为t1下的：
式中，∆p - 孔板两端的压差，kPa；V20 - 20℃时空气的体积流量，m3/h；Vt1 - 空气入口的体积流量，m3/h，近似看作流量计处体积流量； t1 -空气入口温度，℃。
空气在套管换热器内由进到出温度升高，管内空气的体积流量需用平均值，校正为：
式中：Vm –空气在套管内的平均体积流量，m3/h；tm –定性温度，℃，即空气进、出口的平均温度。
(2) 空气进、出口温度的测量
采用热电阻温度计测量温度。热电阻温度计的作用原理是根据导体(或半导体)的电阻值随温度改变的性质，将电阻的变化用显示仪表反映出来，达到测温的目的。热电阻温度计是由热电阻、连接导线和二次显示仪表三部分组成，其测温范围多为-200~500℃。其测温特点是精度高，适于测低温。
设备控制面板上，温度数值显示次序：
1-普通管空气进口温度 t1
2-普通管空气出口温度 t2
3-强化管空气进口温度 t3
4-强化管空气出口温度 t4
(3) 套管壁面温度 tw
采用热电偶温度计测量。在内管外壁面的不同位置排布了多对铜-康铜热电偶，将这几对热电偶进行并联，测得的壁面温度是一个平均温度。
普通管壁温 tw1, 显示表的上排数据
强化管壁温 tw2，显示表的下排数据
3.4 空气流量调节方法
本实验中，空气用旋涡气泵输送，一般采用旁路阀调节流量。旋涡气泵的压头和功率随流量增加而减小，因而启动泵时旁路阀应全开，避免泵在很小流量下运转。
此外，也可通过改变电动机的频率来改变泵的转速，来调节空气流量。
1、将储水槽水位加至槽高 2/3。
2、调待测套管管路阀门。将待测套管的水蒸气进口阀与空气的进口阀调至全开，保证该套管内空气和水蒸气畅通。把另一套管的冷热流体的进口阀全关。
3、①开启总电源。②设置加热电压为 160 伏左右，开启加热器开关，给蒸汽发生器加热。③沸腾后产生的水蒸汽进入待测套管的壳程，保证出口处有连续稳定蒸汽冒出。
4、将风机相连的旁路阀全开，再启动风机。
5、待测套管测量
由旁路阀调节空气流量，观察空气出口温度( t2 或 t4 )基本稳定后，应至少稳定3～6 min，读取并记录空气流量 ∆p (kPa)、进口温度、出口温度、壁温。
改变空气流量，测定并记录 6 ~ 8 组空气流量下的实验数据。
过程中要保持蒸汽流量恒定。
6、转换至另一套管换热器，注意阀门开关次序，重复步骤(5)内容。
7、实验结束，停车。
①先关闭蒸汽加热开关，待管壁温度下降至室温； ②将旁路阀全开，关闭风机；③关闭总电源。④最后将各支路控制阀调至全开状态。
8、测定管内空气流量的量程：
由于强化管内空气流动阻力稍大，其流量范围要小于普通管的量程。本实验装置以强化管内的空气流量范围为基准，均匀取 6～8 个流量点进行实验。可在蒸汽加热过程中进行测定。
步骤：①强化管空气进口阀全开；②普通管空气进口阀全关；③调节旁路阀开度至最大，启动风机；④分别测定并记录旁路阀开度最大和最小时的流量，即测得流量范围，约0.3～3.5 kPa。同样方法，也可测普通管的空气流量范围，约 0.3～4.2 kPa。
1、注意检查储水槽水位是否在正常范围，应及时补水。为防止水垢生成，应使用去离子水，不用自来水。
2、必须保证蒸汽管线的畅通。
在蒸汽发生器通电之前，两套管蒸汽进口阀之一必须全开。
转换套管时，先开后关。先开启待测套管的蒸汽进口阀，再关闭另一套管的蒸汽进口阀；开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管路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。
在接通风机电源之前，两套管空气进口阀之一和旁路阀必须全开。
转换套管时，先开后关。先开启待测套管的空气进口阀，再关闭另一套管的空气进口阀。
4、调节流量后，应至少稳定3～6 min后，再读取记录数据。
5、实验中要保持蒸汽量的稳定，不应改变加热电压。保证蒸汽出口一直有蒸汽放出。
6、以强化套管空气量程为基准取6～8个测量点，两套管所用流量点尽量相同。
1、列岀原始数据表、整理数据表(物性数据、传热速率、传热系数、各特征数及重要的中间计算结果)、准数关联式的拟合结果及相关系数，并以一组数据进行计算。
计算过程中所用空气的物性参数 λ, Cp, ρ, μ，查手册，拟合出物性参数与温度t的关系式。
2、在同一坐标系(对数或直角)中绘制普通套管和强化套管换热器的 Nu～Re 的曲线，并计算强化比。分析两个换热器 Nu 随 Re 的变化。
3、将所测得的普通套管的关联式与
4、分析此传热过程总传热系数K与对流传热系数α的关系，明确其控制步骤，提出强化传热的途径。
5、通过对以上数据或图的分析，明确归纳出实验结论，分条给出。
说明：表、图样本及计算举例，请参考附录。
表1 普通管的原始数据记录表； 表2 普通管的中间数据表
表3 强化管的原始数据记录表； 表4 强化管的中间数据表
表5 强化管与普通管的强化比；
图1或图2 Nu与Re的关系曲线。
1、工业上换热器强化传热的措施和途径有哪些？试举例说明。
2、实验过程中，如何判断传热达到稳定，可以读数？
3、本实验中，热阻在哪一侧(蒸汽还是空气)？壁面温度接近哪一侧流体的温度？为什么？
4、实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响？
5、其他条件不变，若空气流量增大，空气离开换热器的出口温度升还是降？为什么？
6、套管内空气流速增大时，对流传热系数 α 是增大还是减小，为什么？
7、实验过程中，蒸汽的冷凝水若不及时排走会带来什么影响？
8、蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响、应采取什么措施？
9、针对本实验，为了提高传热系数K，可采取哪些有效的方法，其中最有效方法是什么？
10、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对 α 有何影响？
11、工业上，影响传热系数 K 的因素有哪些？
12、将实验所测普通管的热准数关联式与 Nu0 = 0.023Re0.8Pr0.4 比较，试分析实验中存在哪些误差？
13、若要考察强化传热与阻力损失之间的关系，实验装置应如何改进？
14、本实验装置有哪些可改进地方，并进行解释？
参考章节1.5
