化工傳熱綜合實驗.doc

化工傳熱綜合實驗裝置說明書化學(xué)與生物工程學(xué)院環(huán)境工程實訓(xùn)室201611 一、實驗?zāi)康模?1.通過對空氣水蒸氣簡單套管換熱器的實驗研究，掌握對流傳熱系數(shù)的測定方法，加深對其概念和影響因素的理解。2.通過對管程內(nèi)部插有螺旋線圈的空氣水蒸氣強(qiáng)化套管換熱器的實驗研究， 掌握對流傳熱系數(shù)的測定方法，加深對其概念和影響因素的理解。3.學(xué)會并應(yīng)用線性回歸分析方法，確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中常數(shù)A、m的值。4.由實驗數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4計算出Nu、Nu0，求出強(qiáng)化比Nu/Nu0，加深理解強(qiáng)化傳熱的基本理論和基本方式。二、實驗內(nèi)容：1.測定5-6組不同流速下簡單套管換熱器的對流傳熱系數(shù)。2.測定5-6組不同流速下強(qiáng)化套管換熱器的對流傳熱系數(shù)。3.對的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中常數(shù)A、m的數(shù)值。4.通過關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4計算出Nu、Nu0，并確定傳熱強(qiáng)化比Nu/Nu0。三、實驗原理：1.普通套管換熱器傳熱系數(shù)測定及準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的確定：（1）對流傳熱系數(shù)的測定：對流傳熱系數(shù)可以根據(jù)牛頓冷卻定律，通過實驗來測定。因為 ,所以傳熱管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)K，K（W/m2）為熱冷流體間的總傳熱系數(shù)，且 所以： （1）式中：管內(nèi)流體對流傳熱系數(shù)，W/(m2)； Qi管內(nèi)傳熱速率，W； Si管內(nèi)換熱面積，m2； 管內(nèi)平均溫度差，。平均溫度差由下式確定： （2）式中：冷流體的入口、出口平均溫度，； tw壁面平均溫度，；因為換熱器內(nèi)管為紫銅管，其導(dǎo)熱系數(shù)很大，且管壁很薄，故認(rèn)為內(nèi)壁溫度、外壁溫度和壁面平均溫度近似相等，用tw 來表示，由于管外使用蒸汽，所以tw近似等于熱流體的平均溫度。管內(nèi)換熱面積： （3）式中：di內(nèi)管管內(nèi)徑，m； Li傳熱管測量段的實際長度，m。由熱量衡算式： （4）其中質(zhì)量流量由下式求得： （5）式中：Vi冷流體在套管內(nèi)的平均體積流量，m3 / h； cpi冷流體的定壓比熱，kJ / (kg)； i冷流體的密度，kg /m3。cpi和i可根據(jù)定性溫度tm查得，為冷流體進(jìn)出口平均溫度。ti1，ti2， tw， Vi可采取一定的測量手段得到。（2）對流傳熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的實驗確定：流體在管內(nèi)作強(qiáng)制湍流，被加熱狀態(tài)，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式為： . （6）其中： ， ， 物性數(shù)據(jù)i、cpi、i、i可根據(jù)定性溫度tm查得。經(jīng)過計算可知，對于管內(nèi)被加熱的空氣，普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pri變化不大，可以認(rèn)為是常數(shù)，則關(guān)聯(lián)式的形式簡化為： （7）這樣通過實驗確定不同流量下Rei與，然后用線性回歸方法確定A和m的值。2.強(qiáng)化套管換熱器傳熱系數(shù)、準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式及強(qiáng)化比的測定：強(qiáng)化傳熱技術(shù)，可以使初設(shè)計的傳熱面積減小，從而減小換熱器的體積和重量，提高了現(xiàn)有換熱器的換熱能力，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。同時換熱器能夠在較低溫差下工作，減少了換熱器工作阻力，以減少動力消耗，更合理有效地利用能源。強(qiáng)化傳熱的方法有多種，本實驗裝置采用了多種強(qiáng)化方式，具體見下表。圖一 螺旋線圈強(qiáng)化管內(nèi)部結(jié)構(gòu)其中螺旋線圈的結(jié)構(gòu)圖如圖一所示，螺旋線圈由直徑3mm以下的銅絲和鋼絲按一定節(jié)距繞成。將金屬螺旋線圈插入并固定在管內(nèi)，即可構(gòu)成一種強(qiáng)化傳熱管。在近壁區(qū)域，流體一面由于螺旋線圈的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，一面還周期性地受到線圈的螺旋金屬絲的擾動，因而可以使傳熱強(qiáng)化。由于繞制線圈的金屬絲直徑很細(xì)，流體旋流強(qiáng)度也較弱，所以阻力較小，有利于節(jié)省能源。螺旋線圈是以線圈節(jié)距H與管內(nèi)徑d的比值以及管壁粗糙度（）為主要技術(shù)參數(shù)，且長徑比是影響傳熱效果和阻力系數(shù)的重要因素?？茖W(xué)家通過實驗研究總結(jié)了形式為的經(jīng)驗公式，其中A和m的值因強(qiáng)化方式不同而不同。在本實驗中，確定不同流量下的Rei與，用線性回歸方法可確定B和m的值。單純研究強(qiáng)化手段的強(qiáng)化效果（不考慮阻力的影響），可以用強(qiáng)化比的概念作為評判準(zhǔn)則，它的形式是：，其中Nu是強(qiáng)化管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，Nu0是普通管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，顯然，強(qiáng)化比1，而且它的值越大，強(qiáng)化效果越好。需要說明的是，如果評判強(qiáng)化方式的真正效果和經(jīng)濟(jì)效益，則必須考慮阻力因素，阻力系數(shù)隨著換熱系數(shù)的增加而增加，從而導(dǎo)致?lián)Q熱性能的降低和能耗的增加，只有強(qiáng)化比較高，且阻力系數(shù)較小的強(qiáng)化方式，才是最佳的強(qiáng)化方法。四、實驗裝置的基本情況：1.實驗裝置流程示意圖（如圖二所示）：圖二 傳熱綜合實驗裝置流程圖1-光滑管空氣進(jìn)口閥；2-光滑管空氣進(jìn)口溫度；3-光滑管蒸汽出口；4-光滑套管換熱器；5-光滑管空氣出口溫度；6-強(qiáng)化管空氣進(jìn)口閥；7-強(qiáng)化管空氣進(jìn)口溫度；8-強(qiáng)化管蒸汽出口；9-內(nèi)插有螺旋線圈的強(qiáng)化套管換熱器；10-光滑套管蒸汽進(jìn)口閥；12-孔板流量計；13-強(qiáng)化套管蒸汽進(jìn)口閥；14-空氣旁路調(diào)節(jié)閥；15-旋渦氣泵；16-儲水罐17-液位計；18-蒸汽發(fā)生器；19-排水閥；20-散熱器；其中2，5，7，11，12為測試點2.實驗設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)（如表一所示）：表一 實驗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實驗內(nèi)管內(nèi)徑di（mm）20.00實驗內(nèi)管外徑do（mm）22.0實驗外管內(nèi)徑Di（mm）50實驗外管外徑Do（mm）57.0測量段（紫銅內(nèi)管）長度L（m）1.20強(qiáng)化內(nèi)管內(nèi)插物絲徑h（mm）1（螺旋線圈）尺寸節(jié)距H（mm）40孔板流量計孔流系數(shù)及孔徑c0=0.65、d0 =0.017 m旋渦氣泵XGB12型加熱釜操作電壓200伏 操作電流10安3.實驗裝置面板圖（如圖三所示）：圖三 傳熱過程綜合實驗面板圖五、實驗操作步驟：1.實驗前的檢查準(zhǔn)備向水箱16中加水至液位計上端。檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥14是否全開(應(yīng)全開)。檢查蒸氣管支路各控制閥10、13和空氣支路控制閥1、6是否已打開（應(yīng)保證有一路是開啟狀態(tài)），保證蒸汽和空氣管線暢通。合上電源總閘，設(shè)定加熱電壓，啟動電加熱器開關(guān)，開始加熱。加熱系統(tǒng)處于完好狀態(tài)。2. 開始實驗 合上電源總開關(guān)。打開加熱開關(guān),設(shè)定加熱電壓(不得大于200V),直至有水蒸氣冒出,在整個實驗過程中始終保持換熱器蒸汽放空口3或8處有水蒸氣冒出，經(jīng)過風(fēng)冷散熱器20將水蒸氣冷凝下來，并流回到水箱17中循環(huán)使用。加熱電壓的設(shè)定：按一下加熱電壓控制儀表的鍵，在儀表的SV 顯示窗中右下方出現(xiàn)一閃爍的小點，每按一次鍵，小點便向左移動一位，小點在哪個位子上就可以利用、鍵調(diào)節(jié)相應(yīng)位子的數(shù)值，調(diào)好后在不按動儀表上任何按鍵的情況下30秒后儀表自動確認(rèn)，并按所設(shè)定的數(shù)值應(yīng)用。 合上面板上風(fēng)機(jī)開關(guān)啟動風(fēng)機(jī)并用旁路調(diào)節(jié)閥14來調(diào)節(jié)空氣的流量,在一定的流量下穩(wěn)定35分鐘后分別測量空氣的流量,空氣進(jìn)、出口的溫度，由溫度巡檢儀測量（1-光滑管空氣入口溫度；2-光滑管空氣出口溫度；3-粗糙管空氣入口溫度；4-粗糙管空氣出口溫度）,換熱器內(nèi)管壁面的溫度由溫度巡檢儀（上-光滑管壁面溫度；下-粗糙管壁面溫度）測得。然后,在改變流量穩(wěn)定后分別測量空氣的流量,空氣進(jìn),出口的溫度, 壁面溫度后繼續(xù)實驗。 實驗結(jié)束后,依次關(guān)閉加熱、風(fēng)機(jī)和總電源。一切復(fù)原。六、實驗注意事項：1.實驗前將加熱器內(nèi)的水要加到指定位置,防止電熱器干燒損壞電器。特別是每次實驗結(jié)束后，進(jìn)行下次實驗之前，一定檢查水位，及時補(bǔ)充。2.計算機(jī)數(shù)據(jù)采集和過程控制實驗時應(yīng)嚴(yán)格按照計算機(jī)使用規(guī)程操作計算機(jī).采集數(shù)據(jù)和控制過程中要注意觀察實驗現(xiàn)象。3.開始加熱時,加熱電壓控制在(160V)左右為宜。4.加熱約十分鐘后,可提前啟動鼓風(fēng)機(jī),保證實驗開始時空氣入口溫度t1()比較穩(wěn)定，可節(jié)省實驗時間。5.必須保證蒸汽上升管線的暢通。即在給蒸汽加熱釜電壓之前，兩蒸汽支路控制閥之一必須全開。轉(zhuǎn)換支路時，應(yīng)先開啟需要的支路閥門，再關(guān)閉另一側(cè)閥門，且開啟和關(guān)閉控制閥門時動作要緩慢，防止管線驟然截斷使蒸汽壓力過大而突然噴出。6.保證空氣管線暢通，即在接通風(fēng)機(jī)電源之前，兩個空氣支路控制閥之一和旁路調(diào)節(jié)閥必須全開。轉(zhuǎn)換支路時，應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源然后再開啟或關(guān)閉控制閥。7.注意電源線的相線、零線、地線不能接錯。七、實驗數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理過程舉例：1.實驗數(shù)據(jù)的計算過程簡介(以光滑管第一組數(shù)據(jù)為例)?？装辶髁坑媺翰?0.9Kpa 壁面溫度Tw =99.4。進(jìn)口溫度t1 =14.4 出口溫度 t2 =63.5 傳熱管內(nèi)徑di (mm)及流通斷面積 F(m2)： di20.0(),0.0200 (); F(di2)43.142(0.0200)240.0003142( m2).傳熱管有效長度 L()及傳熱面積si(m2)： L1.200（) siL di3.1421.2000.02000.075394(m2).傳熱管測量段上空氣平均物性常數(shù)的確定.先算出測量段上空氣的定性溫度 ()為簡化計算,取t值為空氣進(jìn)口溫度t1()及出口溫度t2()的平均值：即=38.95（）據(jù)此查得: 測量段上空氣的平均密度 1.23 (Kg/m3)；測量段上空氣的平均比熱 Cp1005 (JKgK)；測量段上空氣的平均導(dǎo)熱系數(shù) 0.0274（WK)；測量段上空氣的平均粘度 1.91()；傳熱管測量段上空氣的平均普蘭特準(zhǔn)數(shù)的0.4次方為: Pr0.40.86空氣流過測量段上平均體積（ m3/h）的計算:孔板流量計體積流量：=0.65*3.14*0.0172*3600/4*=13.97（m3/h）傳熱管內(nèi)平均體積流量: =15.16（m3/h）平均流速: =13.4（m/s）冷熱流體間的平均溫度差tm ()的計算: 測得 tw= 99.4()（）其他項計算:傳熱速率(W) （W） （W/m2） 傳熱準(zhǔn)數(shù) 測量段上空氣的平均流速： （m/s）雷諾準(zhǔn)數(shù) =15571作圖、回歸得到準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中的系數(shù)。重復(fù)步驟（1）-（8），處理強(qiáng)化管的實驗數(shù)據(jù)。作圖回歸得到準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中的系數(shù)。表二、實驗裝置1數(shù)據(jù)記錄及整理表（普通管換熱器）No.1234567流量（Kpa)t1(）t1(Kg/m3)t2(）Tw(）tm (）tm(kg/m3)tm100Cp tmtm100000t(）tm(）Vt1(m3/h)V(m3/h)u(m/s)qc(W)i（W/m2）ReNuNu/(Pr0.4)表三、實驗裝置1數(shù)據(jù)記錄及整理表（強(qiáng)化管換熱器）No.1234567流量（Kpa)t1(）t1(Kg/m3)t2(）Tw(）tm (）tm(kg/m3)tm100Cp tmtm100000t(）tm(）Vt1(m3/h)V(m3/h)u(m/s)qc(W)i（W/m2）ReNuNu/(Pr0.4)圖四 傳熱實驗裝置實驗準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)圖 表四、實驗裝置2數(shù)據(jù)記錄及整理表（普通管換熱器）No.1234567流量（Kpa)t1(）t1(Kg/m3)t2(）Tw(）tm (）tm(kg/m3)tm100Cp t