實驗報告二對流傳熱系數(shù)及準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式常數(shù)的測定

1、對流傳熱系數(shù)及準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式常數(shù)的測定實驗報告對流傳熱系數(shù)及準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式常數(shù)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(nèi)流動的液體產(chǎn)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(dāng)于在換熱器換熱管中加入空隙率ε≥95%的多孔體，當(dāng)換熱器換熱管中流動的液體流經(jīng)這些擾流子添加物以后，流道內(nèi)將產(chǎn)生明顯的彌散流動效應(yīng)，在低雷諾數(shù)下（Re≥300），由于彌散流動的促進(jìn)，使換熱器換熱管中的液

2、體轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌Ｍ牧鳡顟B(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(shù)（K）值將大大增加。在高的傳熱系數(shù)（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(dāng)然換熱器中的擾流子對流經(jīng)換熱管的不同介質(zhì)，其強化傳熱的效果是有區(qū)別的。并且，換熱管內(nèi)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(shè)置螺旋圈相比，后者在傳熱性能不變時可減小流阻。關(guān)于擾流子強化傳熱的原理，還有許多其它見解，有的專家認(rèn)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(chǎn)生持續(xù)不斷的渦流，并沿流向產(chǎn)生一個中心旋轉(zhuǎn)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(guān)擾流子強化傳熱的理論還不完

4、備和一致，一些數(shù)據(jù)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(nèi)側(cè)的換熱系數(shù)。試驗表明，在換熱器換熱管中加擾流子添加物，換熱管內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)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(shè)計追求高熱強度，而管殼式換熱器由于傳熱效率低，設(shè)計中采用的主要手段是選擇提高對數(shù)平均溫差，這要導(dǎo)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(xiàn)能級匹配，達(dá)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(jié)垢是換熱器非常棘手的問題。污垢使傳熱效率下降，它的導(dǎo)熱性能差，只有鋼的130～150。對碳鋼管油冷卻器，當(dāng)水垢厚度達(dá)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(jìn)行了多年的研究，發(fā)現(xiàn)污垢的形成、生長，主要與介質(zhì)溫度和流速有關(guān)，介質(zhì)溫度越高，介質(zhì)與壁面溫差越大，流速越低，越易形成污垢。為了消除管側(cè)污垢，國外一些廠家通過提高管內(nèi)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(shè)備管側(cè)的污垢顯著減少。首先，由于流體的彌散流動，介質(zhì)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(dāng)于靜態(tài)攪拌器），流體中的雜質(zhì)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(dāng)水速達(dá)到0.8ms時，水流將產(chǎn)生強烈的彌散渦流，對管壁有很強的沖刷效應(yīng)。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(jìn)、出口溫度，℃。LdSi???式中：di——套管的內(nèi)管內(nèi)徑，m；L——套管的內(nèi)管長度，m；平均溫度△tm由冷、熱流體進(jìn)

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(shù)a的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式一般形式為：nrmeupARN?式中的常數(shù)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(nèi)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(zhǔn)

9、數(shù)值，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)把Nu——Re關(guān)系在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上作圖，即求出式中系數(shù)和指數(shù)m，使準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式得以確定，壁面與空氣對流傳熱系A(chǔ)?數(shù)的通用經(jīng)驗式為：4.03.0023.0teuPRN?8.00199.0eR?上式?jīng)]有考慮管子內(nèi)表面粗糙度對傳熱的影響。本實驗裝置設(shè)兩條套管換熱器，它們內(nèi)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(xiàn)，當(dāng)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(yuǎn)比光滑管高，這證明管內(nèi)壁面螺