对流传热系数及准数关联式常数的测定实验报告

1.前言

 研究表明，加入到换热器换热管中的扰流子添加物可以使换热管内流动的液体产生明显的螺旋运动。换句话说，在换热器换热管中加入扰流子添加物，就相当于在换热器换热管中加入空隙率ε≥95%的多孔体，当换热器换热管中流动的液体流经这些扰流子添加物以后，流道内将产生明显的弥散流动效应，在低雷诺数下（Re≥300），由于弥散流动的促进，使换热器换热管中的液体转变为湍流。湍流状态的流动液体其总热阻是所有流态液体中最小的，由于换热器换热管中湍流状态的流动液体热阻非常小，所以，换热器的传热系数（K）值将大大增加。在高的传热系数（K）值状态下，换热器中扰流子强化传热的效果就会非常明显。
    当然换热器中的扰流子对流经换热管的不同介质，其强化传热的效果是有区别的。并且，换热管内扰流元件的形状和在传热面上的安装方法，对传热和流阻都有影响，一般可通过实验确定其最佳形式。例如试验表明：在管道的全长填满螺旋形金属丝与间断设置螺旋圈相比，后者在传热性能不变时可减小流阻。
    关于扰流子强化传热的原理，还有许多其它见解，有的专家认为扰流子强化传热是基于加大了传热面积和粗糙度，这无疑是正确的。但试验表明，即使不紧贴壁面安装，则轴向固定在流道中心的扰流子也能使α值加大，有人解释为填充物能产生持续不断的涡流，并沿流向产生一个中心旋转流，在离心力的影响下使管中心的流体与壁面边界层流体充分混合。从而减薄了边界层，强化了传热。总的看，有关扰流子强化传热的理论还不完备和一致，一些数据仅来自实验，有待于更多的科研人员开发和利用。
    在换热器换热管中加扰流子添加物，最明显的特点就是大大增强了换热管内侧的换热系数。试验表明，在换热器换热管中加扰流子添加物，换热管内侧换热系数可比光管提高3.5倍以上。
    扰流子强化传热除了减少金属消耗，它还可以提高工厂热能利用效率，降低能耗。目前，一些设计追求高热强度，而管壳式换热器由于传热效率低，设计中采用的主要手段是选择提高对数平均温差，这要导致能耗的大幅度增加。以炼油厂常减压装置为例，传热温差为60℃，以热—冷流体260～200℃计算，传热占热流21.5%，如果将温差降至33℃，传热损可降至10%采用扰流子强化传热的换热器，在保证换热强度不变的情况下，可以显著降低传热温差，从而降低了热损更好地实现能级匹配，达到节能降耗的目的。
    采用扰流子强化传热，另一优点就是可有效地抑制污垢的生成。结垢是换热器非常棘手的问题。污垢使传热效率下降，它的导热性能差，只有钢的1/30～1/50。对碳钢管油冷却器，当水垢厚度达到2mm时，将比新制无垢时的运行效率下降30%。美国传热研究公司对换热器的污垢问题进行了多年的研究，发现污垢的形成、生长，主要与介质温度和流速有关，介质温度越高，介质与壁面温差越大，流速越低，越易形成污垢。为了消除管侧污垢，国外一些厂家通过提高管内流速（V＝2～3m/s），但这带来过高的压降，能耗很大。采用扰流子强化传热的换热器，设备管侧的污垢显著减少。首先，由于流体的弥散流动，介质的温度梯度较小，抑制了污垢的形成、生长；其次，由于弥散流紊动度很高（扰流子强化相当于静态搅拌器），流体中的杂质不易沉积成垢。
    使用扰流子强化传热换热器的清洗十分方便。短时期清洗时，可不抽出强化元件，用水速为V＞0.8m/s的清洗水冲刷管程即可。实验表明。当水速达到0.8m/s时，水流将产生强烈的弥散涡流，对管壁有很强的冲刷效应。因此，可以比较干净地除掉扰流子及管壁上的垢物。如果长时间运行后清洗，可抽出强化元件，分别清洗扰流子与管壁，这也很便于实施。
    扰流子强化传热元件非常易于装拆、安装，日常维护简便，对旧设备的革新挖潜尤为有利。

2、实验目的

1. 了解套管换热器的构造。

2. 掌握用热电偶温度计测量温度的方法。

3. 学习对流传热系数及总传热系数的测定方法。

4. 了解对流传热系数a的影响因素和强化传热方法。

5. 学习将测定的实验数据整理成传热系数准数关联式。

3、实验原理

1. 一般情况下，对流传热系数可根据牛顿冷却定律进行实验测定。

             

式中 Q——通过壁面的传热速率，W；

         a——对流传热系数，W/(㎡·℃)；

S——传热面积，㎡；

——流体与壁面间的温度差，℃

本实验用的是套管式换热器，实验管段为黄铜管，空气走管内，饱和水蒸汽走管外，当管壁与污垢热阻可忽略时，a与总传热系数K有下列简化关系：

             

当的特殊情况下，可近似取

              

式中 K——总传热系数W/(㎡·℃)；

         a₁——传热管内对流传热系数，W/(㎡·℃)；

         a₀——传热管外对流传热系数，W/(㎡·℃)；

K可由总传热速率方程式求出，即：

              

传热速率Q可按下式进行测定和计算：

              

式中：W——空气质量流量，kg/s；

         C_p——空气定压比热，J/kg﹒℃；

         t_1、t₂——空气的进、出口温度，℃。

              

式中：d_i——套管的内管内径，m；

          L——套管的内管长度，m；

平均温度△t_m由冷、热流体进、出口温度计算：

              

式中：T——饱和蒸汽温度，℃。

2. 无相变时，流体在圆形直管中作强制湍流时，给热系数a的准数关联式一般形式为：

              

    式中的常数A、m、n需由实验确定。

对一定种类的气体，在很宽的温度、压力变化范围内P_r值基本上保持不变，例如空气的P_r=0.7，上式可写为：

    或        

实验中，改变空气流速以改变R_e准数值，根据实验数据把N_u——R_e关系在双对数坐标纸上作图，即求出式中系数和指数m，使准数关联式得以确定，壁面与空气对流传热系数的通用经验式为：

   

上式没有考虑管子内表面粗糙度对传热的影响。本实验装置设两条套管换热器，它们内管的管径相同，不同的是其中一条是光滑管，另一条是螺旋槽管，实验时可以发现，当加热蒸汽的压力和空气流量相同时，螺旋槽管出口空气温度远比光滑管高，这证明管内壁面螺纹强化了传热过程。

4.实验材料与实验方法

4.1实验装置

传热实验装置由两支套管换热器组成，其中一支是光滑管，另一支是螺旋槽管。

1、普通套管换热器；2、内插有螺旋线圈的强化套管换热器；3、蒸汽发生器；

4、旋涡气泵；5、旁路调节阀；6、孔板流量计；7、风机出口温度（冷流体入口温度）测试点；8、9空气支路控制阀；10、11、蒸汽支路控制阀；

12、13、蒸汽放空口；14、蒸汽上升主管路；15、加水口；16、放水口；

17、液位计；18、冷凝液回流口

    传热管参数:  表1 实验装置结构参数

4.2实验步骤

1、准备工作

1)   接通电源总闸；

2)   检查鼓风机运转是否正常，检查空气进口阀是否正常；

3)   向电加热釜加水至液位计上端红线处；

4)   打开实验装置的放气阀门，排除空气和其它不凝性气体。

2、实验步骤

1)   水沸腾后，水蒸气自行进入套管换热器外管，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出；

2)   约加热十分钟后，启动鼓风机；

3)   调节空气流量旁路阀的开度；

4)   稳定5-8分钟可转动各仪表读取t_1、t_2、T各值；

5)   重复3）与4）共做6个空气流量值；

6)   最大、最小值必须做；

7)   换成强化管重复以上操作。

3、实验结束

1)   关闭加热器开关；

2)   待套管温度下降至50℃以下后关闭鼓风机，并将旁路阀全开；

3)   切断总电源。

4、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。

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，然后开启和关闭控制阀。

4.3数据处理方法及其原理

1. 一般情况下，对流传热系数可根据牛顿冷却定律进行实验测定。

             

式中 Q——通过壁面的传热速率，W；

         a——对流传热系数，W/(㎡·℃)；

S——传热面积，㎡；

——流体与壁面间的温度差，℃

本实验用的是套管式换热器，实验管段为黄铜管，空气走管内，饱和水蒸汽走管外，当管壁与污垢热阻可忽略时，a与总传热系数K有下列简化关系：

             

当的特殊情况下，可近似取

              

式中 K——总传热系数W/(㎡·℃)；

         a₁——传热管内对流传热系数，W/(㎡·℃)；

         a₀——传热管外对流传热系数，W/(㎡·℃)；

K可由总传热速率方程式求出，即：

              

传热速率Q可按下式进行测定和计算：

              

式中：W——空气质量流量，kg/s；

         C_p——空气定压比热，J/kg﹒℃；

         t_1、t₂——空气的进、出口温度，℃。

              

式中：d_i——套管的内管内径，m；

          L——套管的内管长度，m；

平均温度△t_m由冷、热流体进、出口温度计算：

               

式中：T——饱和蒸汽温度，℃。

2. 无相变时，流体在圆形直管中作强制湍流时，传热系数a的准数关联式一般形式为：

              

    式中的常数A、m、n需由实验确定。

对一定种类的气体，在很宽的温度、压力变化范围内P_r值基本上保持不变，例如空气的P_r=0.7，上式可写为：

    或        

实验中，改变空气流速以改变R_e准数值，根据实验数据把N_u——R_e关系在双对数坐标纸上作图，即求出式中系数和指数m，使准数关联式得以确定，壁面与空气对流传热系数的通用经验式为：

   

上式没有考虑管子内表面粗糙度对传热的影响。本实验装置设两条套管换热器，它们内管的管径相同，不同的是其中一条是光滑管，另一条是螺旋槽管，实验时可以发现，当加热蒸汽的压力和空气流量相同时，螺旋槽管出口空气温度远比光滑管高，这证明管内壁面螺纹强化了传热过程。

5.实验结果与讨论

5.1 实验结果

5.1.1. 已知数据及有关常数:

以第一组数据为例计算：

孔板流量计压差=650 Pa、进口温度t₁ =48.00℃、出口温度 t₂ =59.70℃ 壁面温度热电势100.1℃。

(1)传热管内径d_i(mm)及流通断面积 A(m²).

di＝24.50(ｍｍ),＝0.0245 (ｍ);

A＝π(d_i²)／4＝3.14×(0.0245)²／4＝0.00047( m²).

    (2)传热管有效长度 L(ｍ)及传热面积s_i(m²).  L＝0.70（ｍ)

       s_i＝πL d_i＝3.14×0.70×0.0245＝0.05385(m²).

(3)传热管测量段上空气平均物性常数的确定.

    先算出测量段上空气的定性温度 (℃)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（℃）

    此查得: 测量段上空气的平均密度 ρ＝1.080 Kg/m³;

            测量段上空气的平均比热 Cp＝1005 J／(Kg·℃);

            测量段上空气的平均导热系数 λ＝0.02850 W／(ｍ·℃);

            测量段上空气的平均粘度 μ＝1.97× ():

5.1.2.对流传热系数值的计算

   传热管内平均体积流量V由下面校正计算：

孔板流量计孔径10mm，=0.0000785 m² ,/ =0.13，查表得=0.60

                         

冷热流体间的平均温度差

  （℃）

 

传热速率(W)          （W）

         （W/m²·℃）

5.1.3.对流传热系数准数关联式的有关计算

传热管内流速（m/s）

怒赛尔数

雷诺数  =4670

普朗特数Pr=c_pμ/λ=1005×1.97×/0.02850=0.695

重复以上计算得

5.1.4 计算得到数据如下表

普通管：

强化管：

5.1.5对准数关联式作图：

对于普通管：直线方程为Y=1.2553X-3.7363，则m=1.2553，A=10^-3.7363=0.00018      故关联式为Nu=0.00018Re^1.2551

对于强化管：直线方程为Y=2.0511X-6.6365，则 m=2.0511 ，A=10^-6.6365=0.00000023      故关联式为Nu=0.00000023Re^2.0511

5.2思考题

1. 如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对a关联式有没有影响？

   答：有影响，a关联式反应的是一定条件下空气侧的规律，蒸汽压强变大时，流速变大，a 也变大，因而空气侧的a关联式也会改变，须由实验确定。

2、测取数据前，为什么要排除不凝性气体？

   答：不凝性气体的物性常数和空气的不一样，会造成误差。

3、本实验中管壁温度接近加热蒸汽温度还是空气温度？为什么？

温度计处温度能够由空气进口温度代替？说明理由

   答：管壁温度接近蒸汽温度，因为蒸汽侧的a 大很多，同样的传热速率时温差小，所以管壁温度接近蒸汽温度。       温度计处温度能够由空气进口温度代替因为空气在管中的传热很少可忽略。

4、本实验中，空气和蒸汽的流向对传热效果有什么影响？为什么？

   答：没影响，因为蒸汽侧无相变保持恒温，平均温度差Δt_m 不变，传热速率也不变，故没影响。  

6.结论和建议

6.1结论

1. 同样压强差下，强化管的a 比普通管的大，而且它的值越大，强化效果越好。由此说明，在管内加入螺纹可以远远地提高传热系数

 2.本实验下的得到的a关联式;：强化管 Nu=0.00000023Re^2.0511普通管

Nu=0.00018Re^1.2551 与通用经验公式 Nu  差别较大，是由于实验条件决定的，与管子的长度，直径，实验条件下空气侧定性温度下的物性等都有关。

    3.．   

6.2建议

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。

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，然后开启和关闭控制阀。

4.可以加大蒸汽侧的流速来提高a 的值以强化对流。

5.可以采用多种强化元件及强化措施来强化传热，主要包括在换热器中使用螺纹管、横纹管、缩放管、大导程多头沟槽管、整体双面螺旋翅片管，以及在换热管中加扰流子来强化管内换热等 ．o J．其中，在换热管中加扰流子添加物进行强化传热在工业上已使用了多年，它可以使换热器总的传热系数出现明显的提高，可以大大节省换热器的传热面积，降低设备重量，节约大量金属材料。[1]

7.参考文献

   [1] 尹卫东，李桂连 .对流传热系数测定的探讨.中图分类号：TQ051．5 文献标识码：A 文章编号：1009-4970(2012)08-0049—04.

   [2]北京大学，南京大学，南开大学编. 化工基础实验. 北京市：北京大学出版社, 2004.07.