实验五 套管换热器传热实验

实验五 套管换热器传热实验

实验学时： 4 实验类型：综合

实验要求：必修 一、实验目的

通过本实验的学习，使学生了解套管换热器的结构和操作方法，比较简单内管与强化内管的差异。

二、实验内容

1、测定空气与水蒸汽经套管换热器间壁传热时的总传热系数。

2、测定空气在圆形光滑管中作湍流流动时的对流传热准数关联式。

3、测定空气在插入螺旋线圈的强化管中作湍流流动时的对流传热准数关联式。

4、通过对本换热器的实验研究，掌握对流传热系数i α的测定方法。

三、实验原理、方法和手段

两流体间壁传热时的传热速率方程为 m t KA Q ∆= （1）

式中，传热速率Q 可由管内、外任一侧流体热焓值的变化来计算，空气流量由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成的空气流量计来测定。流量大小按下式计算：

1

0012t t P

A C V ρ∆⨯⨯

⨯=

其中：0C —孔板流量计孔流系数，0.65；

0A —孔的面积，2

m ；（可由孔径计算，孔径m d 0165.00=） P ∆—孔板两端压差，kPa ；

1t ρ—空气入口温度（即流量计处温度）下的密度，3/m kg 。

实验条件下的空气流量V （h m /3

）需按下式计算：

1

1273273t t V V t ++⨯

=

其中：t —换热管内平均温度，℃；

1t —传热内管空气进口（即流量计处）温度，℃。

测量空气进出套管换热器的温度t ( ℃ )均由铂电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。

管外壁面平均温度W t ( ℃ )由数字温度计测出，热电偶为铜─康铜。 换热器传热面积由实验装置确定，可由（1）式计算总传热系数。

流体无相变强制湍流经圆形直管与管壁稳定对流传热时，对流传热准数关联式的函数关系为：

),

,(d l P R f Nu r e =

对于空气，在实验范围内，r P 准数基本上为一常数；当管长与管径的比值大于50 时，其值对Nu 准数的影响很小，故Nu 准数仅为e R 准数的函数，因此上述函数关系一般可以处理成：

m

e R B Nu ⋅=

式中，B 和 m 为待定常数。

由下式可以计算空气与管壁的对流传热系数： )

(t t A Q W -=

α

式中，t —空气进出口温度的平均值，℃；W t —管外壁面平均温度，℃。 然后计算

λ

αd Nu =

，μ

ρ

du R e =

调节不同的空气流量，可以获得多组Nu —e R 数据。将数据绘制在双对数坐标中，则函数关系式变为：

B R m Nu e log log log +=

确定该直线的斜率和截距，即可求出待定常数m 和B 的值。

确定空气在强化管内和普通圆形光滑管内换热的对流传热准数关联式的原理和方法相同，不过，在类同条件下待定常数数值不同。

四、实验组织运行要求

集中授课形式

五、实验条件

实验装置见下图

1-液位计； 2-储水罐； 3-排水阀； 4-蒸汽发生器； 5-强化套管蒸汽进口阀； 6-光滑套管蒸汽进口阀； 7-光滑套管换热器； 8-内插有螺旋线圈的强化套管换热器； 9-光滑套管蒸汽出口； 10-强化套管蒸汽出口； 11-光滑套管空气进口阀； 12-强化套管空气进口阀； 13-孔板流量计；14-空气旁路调节阀； 15-旋涡气泵； 16-蒸汽冷凝器

以饱和蒸汽为加热介质，加热空气。饱和蒸汽走套管壳程，空气走管程。空气由旋涡气泵提供，由孔板流量计计量其流量。

套管规格：内管mm 122⨯Φ；外管mm 5.357⨯Φ；换热长度为1.20m 。

六、实验步骤

1.实验前的准备,检查工作 (1) 向水箱中加水至液位计上端。 (2) 检查空气流量旁路调节阀是否全开。

(3) 检查蒸气管支路各控制阀和空气支路控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管线的畅

通。

(4) 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) 打开加热开关一段时间后,蒸汽发生器内的水经过加热后产生水蒸汽，并经过空气冷却器冷凝后回到储水槽中。

(2) 换热器壳内有水蒸气后，打开旁路调节阀，启动风机，调节阀一般开到最大。

(3) 调节空气流量旁路调节阀的开度,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3～5分钟左右后，分别测量空气的流量，空气进、出口温度和管壁温度。(注意：第1个数据点必须稳定足够的时间；温度巡检仪测量的温度1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空气出口温度；3-强化管空气入口温度；4-强化管空气出口温度；上-光滑管壁面温度；下-强化管壁面温度)

(5) 重复(3)与(4)共做7～10个空气流量值。

(6) 最小,最大流量值一定要做。

七、思考题

1、本实验装置和操作再哪些地方容易造成结果误差？如何尽量减少误差？

2、蒸汽压力的变化会不会影响实验结果？

3、比较实验所得的对流传热准数关联式与流体在圆形直管中作强制湍流时的经验公式，两者是否矛盾？

4、对比实验所得的线圈管与圆形光滑管内的对流传热准数关联式，可以说明什么问题？

八、实验报告

实验报告应体现预习、实验记录和实验报告

1、实验预习

在实验前每位同学都需要对本次实验进行认真的预习，并写好预习报告，在预习报告中要写出实验目的、要求，需要用到的仪器设备、物品资料以及简要的实验步骤，形成一个操作提纲。对实验中的安全注意事项及可能出现的现象等做到心中有数，但这些不要求写在预习报告中。

2、实验记录

学生开始实验时，应该将记录本放在近旁，将实验中所做的每一步操作、观察到的现象和所测得的数据及相关条件如实地记录下来。实验记录中应有指导教师的签名。

附表1：

实验原始数据记录表

套管内管类型：

3、实验总结

主要内容包括对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。

附表2：

数据整理表

套管内管类型：

九、其它说明

1、实验前将加热器内的水要加到指定位置，防止电热器干烧损坏电器。特别是每次实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。

2、加热约10分钟后，可提前启动鼓风机，保证实验开始时空气入口温度比较稳定。

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，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、本实验装置加装蒸汽冷凝器，使蒸汽冷凝后重新回到储水箱中，加热电源启动时蒸汽冷凝器用风扇同时启动。注意电源线的相线,中线不能接错,实验架一定要接地。

实验报告的基本内容及要求

实验报告应体现预习、实验记录和实验报告，要求这三个过程在一个实验报告中完成。

1、实验预习

在实验前每位同学都需要对本次实验进行认真的预习，并写好预习报告，在预习报告中要写出实验目的、要求，需要用到的仪器设备、物品资料以及简要的实验步骤，形成一个操作提纲。对实验中的安全注意事项及可能出现的现象等做到心中有数，但这些不要求写在预习报告中。

设计性实验要求进入实验室前写出实验方案。

2、实验记录

学生开始实验时，应该将记录本放在近旁，将实验中所做的每一步操作、观察到的现象和所测得的数据及相关条件如实地记录下来。

实验记录中应有指导教师的签名。

3、实验总结

主要内容包括对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。

附表：实验报告格式

注：若报告内容过多，表格可自行增加。

化工原理课程实验报告

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