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化工传热综合实验装置实验原理及目的

KH-HG16化工传热综合实验装置实验目的:

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αi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, 掌握对流传热系数的测定方法,加深对其概念和影响因素的理解。

3.学会并应用线性回归分析方法,确定传热管关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m数值,强化管关联式Nu0=BRemPr0.4中B和m数值。

4.根据计算出的Nu、Nu0求出强化比,比较强化传热的效果,加深理解强化传热的基本理论和基本方式。

KH-HG16化工传热综合实验装置实验内容:

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a

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a

3.对实验数据进行线性回归,确定关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的数值。

4.通过关联式Nu=ARemPr0.4计算出Nu、Nu0,并确定传热强化比Nu/Nu0。

KH-HG16化工传热综合实验装置实验原理:

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a的测定:

对流传热系数a可以根据牛顿冷却定律,通过实验来测定。

    (1)

      (2)

式中:a—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—管内平均温度差,℃。

平均温度差由下式确定:(3)

式中:t—冷流体的入口、出口平均温度,℃;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:(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:(5)

其中质量流量由下式求得:(6)

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为冷流体进出口平均温度。

ti1,ti2, tw, Vi可采取一定的测量手段得到。

(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:(7)

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,普兰特准数Pri变化不大,可以认为是常数,则关联式的形式简化为:(8)

这样通过实验确定不同流量下的Rei与Nu,然后用线性回归方法确定A和m的值。

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,本实验装置采用了多种强化方式,具体见下表。

其中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。

科学家通过实验研究总结了形式为Nu=ARem的经验公式,其中A和m的值因强化方式不同而不同。在本实验中,确定不同流量下的Rei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/Nuo,其中Nu是强化管的努塞尔准数,Nu0是普通管的努塞尔准数,显然,强化比Nu/Nuo>1,而且它的值越大,强化效果越好。需要说明的是,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,阻力系数随着换热系数的增加而增加,从而导致换热性能的降低和能耗的增加,只有强化比较高,且阻力系数较小的强化方式,才是最佳的强化方法。

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