一、实验目的
⒈通过对空气—水蒸气光滑套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数α1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Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。
⒉通过对管程内部插有螺纹管的空气—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/Nu0，了解强化传热的基本理论和基本方式。
二、实验装置
本实验设备由两组黄铜管（其中一组为光滑管，另一组为波纹管）组成平行的两组套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器。管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，其冷凝放出热量通过黄铜管壁被传递到管内流动的空气，达到逆流换热的效果。饱和蒸汽由配套的电加热蒸汽发生器产生。该实验流程图如图1所示，其主要参数见表1。
表1 实验装置结构参数
实验内管内径di（mm）实验内管外径do（mm）实验外管内径Di（mm）实验外管外径Do（mm）总管长（紫铜内管）L（m）
测量段长度l（m）16.0017.925052.51.301.10
蒸汽温度
空气出口温度空气入口温度
蒸汽压力
孔板流量计测量空气流量空气压力
图1 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图
1— 光滑套管换热器；2—螺纹管的强化套管换热器；3—蒸汽发生器；4—旋涡气泵；5—旁路调节阀；6—孔板流量计；7、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； 15—放水口；14—液位计；16—加水口；
三、实验内容
1、光滑管
①测定6～8个不同流速下光滑管换热器的对流传热系数α1。②对 α1的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=ARem中常数A、m的值。
2、波纹管
①测定6～8个不同流速下波纹管换热器的对流传热系数α1。
②对 α1的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=BRem中常数B、m的值。
四、实验原理
1．准数关联
影响对流传热的因素很多，根据因次分析得到的对流传热的准数关联为：
Nu=CRemPrnGrl （1）
式中C、m、n、l为待定参数。
参加传热的流体、流态及温度等不同，待定参数不同。目前，只能通过实验来确定特定范围的参数。本实验是测定空气在圆管内作强制对流时的对流传热系数。因此，可以忽略自然对流对传热膜系数的影响，则Gr为常数。在温度变化不太大的情况下，Pr可视为常数。所以，准数关联式（1）可写成
Nu＝CRem （2）
待定参数C和m可通过实验测定蒸汽、空气的有关数据后，对式（2）
取对数，回归求得直线斜率和截距。 2．传热量计算
努塞尔数Nu或α1无法直接用实验测定，只能测定相关的参数并通过计算求得。当通过套管环隙的饱和蒸汽与冷凝壁面接触后，蒸汽将放出冷凝潜热，冷凝成水，热量通过间壁传递给套管内的空气，使空气的温度升高，空气从管的末端排出管外，传递的热量由（3）式计算。
Q＝Wecpc（t2－t1）= Vρ1cpc（t2－t1） （3）
根据热传递速率
Q＝KSΔtm （4）所以 KSΔtm=Vρ1cpc（t2－t1） （5）
式中：Q——换热器的热负荷（即传热速率），kJ／s； We——冷流体的质量流量，kg／s；
V——冷流体（空气）的体积流量，m3/s； ρ1一冷流体（空气）的密度，kg／m3；
K——换热器总传热系数，W/（m2·℃）；
Cpc一一冷流体（空气）的平均比定压热容，kJ/（kg·K）； S——传热面积，m2；
Δtm——蒸汽与空气的对数平均温度差，℃。
空气的流量及两种流体的温度等可以通过各种测量仪表测得。综合上面各式即可算出传热总系数K。 3．传热膜系数的计算
当传热面为平壁或者当管壁很薄时，总的传热阻力和传热分阻力的关系可表示为：
式中：αl——空气在圆管中强制对流的传热膜系数，W／（m2·℃）； α2——蒸汽冷凝时的传热膜系数，W／（m2·℃）。
当管壁热阻可以忽略（内管为黄铜管而且壁厚b较薄，黄铜导热系数λ比较大）时，
（7）
蒸汽冷凝传热膜系数远远大于空气传热膜系数，则K≈α1。因此，
只要在实验中测得冷、热流体的温度及空气的体积流量，即可通过热衡算求出套管换热器的总传热系数K值，由此求得空气传热膜系数α1。 4．努塞尔数和雷诺数的计算
式中：λ——空气导热系数，W／（m·℃）； μ一空气的粘度，Pa·s；
d——套管换热器的内管平均直径，m；
ρ1——进口温度t1时的空气密度，kg／m3。
由于热阻主要集中在空气一侧，本实验的传热面积S取管子的内表面较为合理，即
S＝πdl
本装置d=0．0178 m，l=1．327m。
5．空气流量和密度的计算 空气密度ρ1可按理想气体计算：式中：pa——当地大气压，Pa ；
t——孔板流量计前空气温度，℃，可取t=t1；
空气的流量由 1／4喷嘴流量计测量，合并常数后，空气的体积流量可由（11）式计算
（11）
式中：C0——合并整理的流量系数，其值为C0=0．001233； R——喷嘴流量计的压差计示值，mmH2O。 V1——空气的体积流量，m3／s。
五、实验操作
1．实验前的准备
（1）向电加热釜加水至液位计上端红线处。 （2）检查空气流量旁路调节阀是否全开。
（3）检查普通管支路各控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管路的畅通。
（4）接通电源总闸，设定加热电压，启动电热锅炉开关，开始加热。
2．实验开始
（1）当蒸汽压力稳定后，启动旋涡气泵并运行一段时间，保证实验开始时空气入口温度（℃）稳定。
（2）调节空气流量旁路阀的开度或主阀开度，使孔板流量计的压差计读数为所需的空气流量值。
（3）稳定5－8分钟左右读取压差计读数，读取空气入口、出口的温
度值、（温度测量可采用热电偶或温度计）、空气压力值p1、空气入、出口之间压力差p2、蒸汽温度值t3及压力值p3,孔板流量计读数p4。 （4）调节空气流量，重复（3）与（4）共测6－10组数据（注意：在空气入、出口之间压力差p2最大值与最小值之间可分为6-10段）。 （5）实验过程，要尽可能保证蒸汽温度或压力稳定，在蒸汽锅炉加热过程（蒸汽温度或压力变化较大）不要记录数据。3．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。
六、实验注意事项
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。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，三个空气支路控制阀之一和旁路调节阀（见图1所示）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、调节流量后，应至少稳定5～10分钟后读取实验数据。
5、套管换热器中积累的热水要及时放掉，以免影响蒸汽传热。
七、实验记录及数据处理
表2 实验数据记录 光讨论：实验结果误差较大 ，lgNu与lgRe的线性相关程
度不是很大，一些数据的记录可能存在较大误差。如在螺纹管实验中，
第一组数据误差较大，明显偏离直线
八、思考题
1、影响传热膜系数的因素有哪些？
答：膜的厚度，液体的物性，以及压力温度
2、在蒸气冷凝时，若存在不凝性气体，你认为将会有什么影响？应该采取什么措施？
答：不凝性气体存在可能会使蒸汽a大大降低。
3、本实验中所测定的壁面温度是靠近蒸气侧的温度，还是接近空气侧的温度？为什么？
答：接近空气温度是因为蒸汽冷凝膜系数大于空气的。4、在实验中有哪些因素影响实验的稳定性？
答：空气流速与采用的管子等。
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容