实验五 套管换热器液-分离式导电滑环液热交换系数及膜系数的测定 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一液热交换过程，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一液热交换过程的总传热系数。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，并对传热基本原理加深理解。
二、实验原理
saba-018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，最后由壁面把热量传给冷流体。换言之，热交换过程即为给热-导热-给热三个串联过程组成。
若热流体在套管热交换器的管内流过，而冷流体在管外流过，设备两端试点上的温度如图所示，则在单位时间内热流体向冷流体传递的热量，可由热流体的热量衡算方程来表示：
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
式中：
Q-传热速率，J/s或W；
ms-热流体质量流率Kg/S；
Cp-热流体的平均比热容，J/（Kg?K）；
T-热流体的温度，K；
T’-冷流体的温度，K；
Tw-固体壁面温度，K；
K-传热总系数，W/（m2?K）；
A-热交换面积，m’
ΔTm一两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ΔT1，和ΔT2fifox：分别为热交换器两端冷热流体之间的温度差，即
则平均温度差可按下式计算：
由(1)和(2)两式联立求解，可得传热总系数的计算式：
就固体壁面两侧的给热过程来说，给热速率基本方程为：
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：
式中：
α1与α2-分别表示固体壁两侧的传热膜系数，W/m2·K；
Aw与Aw’-分别表示固体壁两侧的内壁表面积和外壁表面积，m2；
Tw与Tw’-分别表示固体壁两侧内壁面温度和外壁面温度，K；
ΔTm’-热流体与内壁面之间的平均温度差，K；
热流体与管内壁之间的平均温度差可按下式计算：
由(1)和(8)式联立求解可得管内传热膜系数的计算式为
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α与各项影响因素(如：管内径d，m；管内流速u，m/s；流体密度ρ，kg/m3；流体粘度μ，Pa·s；定压比热容，Cp，J/(kg·K)和流体导热系数λ，W/(m·K)之间的关系可关联如下准数关联式：
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a和指数m，n的具体数值，需要通过实验来测定。实验测得a、m，n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。
Re>10000
Pr=0.7－160
L／d>50
则流体被冷却时，理值可按下列公式求算：
流体被加热时,
当流体在套管环隙内作强制湍流时，上列各式中d用当量直径de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、实验装置及其流程
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，装置流程如图所示:
套管热交换器液—液热交换实验装置流程图
套管热交换器由一根φ12×1.5mm的黄铜管作为内管，φ20×2.0mm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φ32×2.5mm有机玻璃管作为保温管。套管热交换器两端测温点之间距离(测试段距离)为1000mm．每一个检测面的管内，管外和管壁上各设置三支铜-康铜热电偶，并通过转换开关与数字电压表相联接，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．恒温循环水槽中用电热器补充热水在热交换器中移去的热量，并控制恒温。
冷水由自来水管直接送人高位稳压水槽，再由稳压水槽流经转子流量计和套管环隙空间，高位稳压水槽排出的溢流水和由换热管排出被加热后的水，均排入下水道。
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