實驗報告二對流傳熱系數及準數關聯式常數的測定

1、對流傳熱系數及準數關聯式常數的測定實驗報告對流傳熱系數及準數關聯式常數的測定實驗報告1.1.前言前言研究表明，加入到換熱器換熱管中的擾流子添加物可以使換熱管內流動的液體產生明顯的螺旋運動。換句話說，在換熱器換熱管中加入擾流子添加物，就相當于在換熱器換熱管中加入空隙率ε≥95%的多孔體，當換熱器換熱管中流動的液體流經這些擾流子添加物以后，流道內將產生明顯的彌散流動效應，在低雷諾數下（Re≥300），由于彌散流動的促進，使換熱器換熱管中的液

2、體轉變?yōu)橥牧?。湍流狀態(tài)的流動液體其總熱阻是所有流態(tài)液體中最小的，由于換熱器換熱管中湍流狀態(tài)的流動液體熱阻非常小，所以，換熱器的傳熱系數（K）值將大大增加。在高的傳熱系數（K）值狀態(tài)下，換熱器中擾流子強化傳熱的效果就會非常明顯。當然換熱器中的擾流子對流經換熱管的不同介質，其強化傳熱的效果是有區(qū)別的。并且，換熱管內擾流元件的形狀和在傳熱面上的安裝方法，對傳熱和流阻都有影響，一般可通過實驗確定其最佳形式。例如試驗表明：在管道的全長填滿螺旋形金

3、屬絲與間斷設置螺旋圈相比，后者在傳熱性能不變時可減小流阻。關于擾流子強化傳熱的原理，還有許多其它見解，有的專家認為擾流子強化傳熱是基于加大了傳熱面積和粗糙度，這無疑是正確的。但試驗表明，即使不緊貼壁面安裝，則軸向固定在流道中心的擾流子也能使α值加大，有人解釋為填充物能產生持續(xù)不斷的渦流，并沿流向產生一個中心旋轉流，在離心力的影響下使管中心的流體與壁面邊界層流體充分混合。從而減薄了邊界層，強化了傳熱?？偟目矗嘘P擾流子強化傳熱的理論還不完

4、備和一致，一些數據僅來自實驗，有待于更多的科研人員開發(fā)和利用。在換熱器換熱管中加擾流子添加物，最明顯的特點就是大大增強了換熱管內側的換熱系數。試驗表明，在換熱器換熱管中加擾流子添加物，換熱管內側換熱系數可比光管提高3.5倍以上。擾流子強化傳熱除了減少金屬消耗，它還可以提高工廠熱能利用效率，降低能耗。目前，一些設計追求高熱強度，而管殼式換熱器由于傳熱效率低，設計中采用的主要手段是選擇提高對數平均溫差，這要導致能耗的大幅度增加。以煉油廠常減

5、壓裝置為例，傳熱溫差為60℃，以熱—冷流體260～200℃計算，傳熱占熱流21.5%，如果將溫差降至33℃，傳熱損可降至10%采用擾流子強化傳熱的換熱器，在保證換熱強度不變的情況下，可以顯著降低傳熱溫差，從而降低了熱損更好地實現能級匹配，達到節(jié)能降耗的目的。采用擾流子強化傳熱，另一優(yōu)點就是可有效地抑制污垢的生成。結垢是換熱器非常棘手的問題。污垢使傳熱效率下降，它的導熱性能差，只有鋼的130～150。對碳鋼管油冷卻器，當水垢厚度達到2mm

6、時，將比新制無垢時的運行效率下降30%。美國傳熱研究公司對換熱器的污垢問題進行了多年的研究，發(fā)現污垢的形成、生長，主要與介質溫度和流速有關，介質溫度越高，介質與壁面溫差越大，流速越低，越易形成污垢。為了消除管側污垢，國外一些廠家通過提高管內流速（V＝2～3ms），但這帶來過高的壓降，能耗很大。采用擾流子強化傳熱的換熱器，設備管側的污垢顯著減少。首先，由于流體的彌散流動，介質的溫度梯度較小，抑制了污垢的形成、生長；其次，由于彌散流紊動度很

7、高（擾流子強化相當于靜態(tài)攪拌器），流體中的雜質不易沉積成垢。使用擾流子強化傳熱換熱器的清洗十分方便。短時期清洗時，可不抽出強化元件，用水速為V＞0.8ms的清洗水沖刷管程即可。實驗表明。當水速達到0.8ms時，水流將產生強烈的彌散渦流，對管壁有很強的沖刷效應。因此，可以比較干凈地除掉擾流子及管壁上的t1、t2——空氣的進、出口溫度，℃。LdSi???式中：di——套管的內管內徑，m；L——套管的內管長度，m；平均溫度△tm由冷、熱流體進

8、、出口溫度計算：12121212)()(tTtTIntTtTttIntttm?????????????式中：T——飽和蒸汽溫度，℃。2.無相變時，流體在圓形直管中作強制湍流時，給熱系數a的準數關聯式一般形式為：nrmeupARN?式中的常數A、m、n需由實驗確定。對一定種類的氣體，在很寬的溫度、壓力變化范圍內Pr值基本上保持不變，例如空氣的Pr=0.7，上式可寫為：nmeuARN7.0?或meuRAN??實驗中，改變空氣流速以改變Re準

9、數值，根據實驗數據把Nu——Re關系在雙對數坐標紙上作圖，即求出式中系數和指數m，使準數關聯式得以確定，壁面與空氣對流傳熱系A?數的通用經驗式為：4.03.0023.0teuPRN?8.00199.0eR?上式沒有考慮管子內表面粗糙度對傳熱的影響。本實驗裝置設兩條套管換熱器，它們內管的管徑相同，不同的是其中一條是光滑管，另一條是螺旋槽管，實驗時可以發(fā)現，當加熱蒸汽的壓力和空氣流量相同時，螺旋槽管出口空氣溫度遠比光滑管高，這證明管內壁面螺