套管换热器液液热交换实验仪实验指导书a.docVIP

化学工程实验仪器系列产品 CEA—H01型 套管换热器液-液热交换实验仪 实验指导书 北京新华教仪科贸有限公司 WWW.BJXHJY.NET 一、实验目的 在工业生产或实验研究中，常遇到两种流体进行热量交换，来达到加热或冷却之目的。为了加速热量传递过程，往往需要将流体进行强制流动。 对于在强制对流下进行的液－液热交换过程，曾有不少学者进行过研究，并取得了不少求算传热膜系数的关联式。这些研究结果都是在实验基础上取得的。对于新的物系或者新的设备，仍需要通过实验来取得传热系数的数据及其计算式。 本实验的目的，是测定在套管换热器中进行的液－液热交换过程的传热总系数，流体在圆管内作强制湍流时的传热膜系数。以及确立求算传热系数的关联式。同时希望通过本实验，对传热过程的实验研究方法有所了解，在实验技能上受到一定的训练，并对传热过程基本原理加深理解。 二、实验原理 冷热流体通过固体壁所进行的热交换过程，先由热流体把热量传递给固体壁面，然后由固体壁面的一侧传向另一侧，最后再由壁面把热量传给冷流体。换言之，热交换过程即为给热、、　J·s　　　　　　　　　　　（1） 就整个热交换而言，由传热速率基本方程经过数学处理，可得计算式为 　J·s　　　　　　　　　　　　　　　（2） 式中： ——传热速率，J·s或W； ——热流体的质量流率，kg·s； ——热流体的平均比热容，是J·kg·K； ——热流体的温度，K； ——冷流体的温度，K； ——固体壁面温度，K； ——传热总系数，W·m·K ——热交换面积，m2； ——两流体间的平均温度差，K。 （符号下标1和2分别表示热交换器两端的数值） 若和分别为热交换器两端冷热流体之间的温度差，即 　　　　　　　　　　　　　　　　（3） 　　　　　　　　　　　　　　　　（4） 则平均温度差可按下式计算： 当时，　　　　　　　　　　　　　　（5） 当时，　　　　　　　　　　　　　　（6） 由（1）和（2）两式联立求解，可得传热总系数的计算式： 　　　　　　　　　　　　　　　　（7） 就固体壁面两侧的给热过程来说，给热速率基本方程为 　　　　　　　　　　　　　　　　（8） 根据热交换两端的边界条件，经数学推导，同理可得管内给热过程的给热速率计算式 　　　　　　　　　　　　　　　　　　（9） 式中： 与——分别有示固体壁两侧的传热膜系数，W·m－2·K－1； 与——分别表示固体壁两侧的内壁表面积和外壁表面积，m2； 与——分别表示固体壁两侧的内壁面温度和外壁面温度，K； ——热流体与内壁面之间的平均温度差；K。 热流体与管内壁面之间的平均温度差可按下式计算： 当时　　　　　　　　　（10） 当时　　　　　　　　　（11） 由（1）和（9）式联立求解可得管内传热膜系数的计算式为 　W·m－2·K－1　　　　　　　（12） 同理也可得到管外给热过程的传热膜系数的类同公式。 流体在圆形直管内作强制对流时，传热膜系数与各项影响因素（如：管内径；管内流速，m·s；流体密度，kg·m－3；流体粘度，Pa·s；定压比热溶，，J·kg·K和流体导热系数，W·m·K）之间的关系可关联成如下准数关联式： 　　　　　　　　　　　　　　（13） 式中： ——努塞尔准数（Nusselt number）； ——雷诺准数（Reynolds number）； ——普兰特准数（Prandtl number）。 上列关联式中系数和指数的具体数值，通过实验来测定。实验测得、、数值后，则传热膜系数即可由该式计算。例如： 当流体在圆形直管内作强制湍流时， ＞10000 0.7～160 则流体被冷却时，值可按下列公式求算： 　　　　　　　　　　　　（13.a） 或　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（13.b） 流体被加热时 　　　　　　　　　　　　（14.a） 或　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（14.b） 当流体在套管环隙内作强制湍流时，上列各式中用当量直径替代即可。各项物性常数均取流体进出口平均温度下的数值。 三、实验装置 本实验装置主要由套管热交换器、恒温循环水槽、高位稳压水槽以及一系列测量和控制仪表所组成，装置流程如图2所示。 图2　套管换热器液－液热交换实验装置流程 套管热交换器由一根Ф12×1.5mm的黄铜管作为内管，Ф20×2.0mm的有机玻璃管作为套管所构成。套管热交换器外面再套一根Ф50×1.5mm管内加保温材料作为保温管。套管热交换器两端测温点之间距离（测试段距离）为1000mm。每个检测端面上在管内、管外和管壁内设置三支铜－康铜热电偶，并通过转换开关与数字电压表相连接，用以测量管内、管外的流体温度和管内壁的温度。 热水由循环水泵从恒温水槽送入管内，然后经转子流量计再返回槽内