化工傳熱綜合實驗

1、化工傳熱綜合實驗裝置 說明書 化學與生物工程學院環(huán)境工程實訓室 2016. 11 一、實驗目的： 1. 通過對空氣一水蒸氣簡單套管換熱器的實驗研究，掌握對流傳熱系數(shù):i 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一水蒸氣強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. 學會并應用線性回歸分析方法，確定關聯(lián)式Nu=ARePr04中常數(shù)A、m的值。 4. 由實驗數(shù)據(jù)及關聯(lián)式Nu=AR?Pr0.4計算出Nu、Nu,求出強化比Nu/Ns，力卩 深理解強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

2、不同流速下簡單套管換熱器的對流傳熱系數(shù) :i o 2. 測定5-6組不同流速下強化套管換熱器的對流傳熱系數(shù) :i o 3. 對:“的實驗數(shù)據(jù)進行線性回歸，確定關聯(lián)式Nu=ARePr0.4中常數(shù)A、m的數(shù) 值。 4. 通過關聯(lián)式Nu=ARePr0.4計算出Nu Nu,并確定傳熱強化比Nu/Nit。 三、實驗原理： 1. 普通套管換熱器傳熱系數(shù)測定及準數(shù)關聯(lián)式的確定： (1)對流傳熱系數(shù)二的測定： 對流傳熱系數(shù)冷可以根據(jù)牛頓冷卻定律，通過實驗來測定。因為:i 1，而且它的值越大，強化效 果越好。需要說明的是，如果評判強化方式的真正效果和經(jīng)濟效益， 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

3、增加， 從而導致?lián)Q熱性能的降低和能 耗的增加，只有強化比較高，且阻力系數(shù)較小的強化方式，才是最佳的強化方法。 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）： ID 20 4 F=L u 16 E 1 JHHH1 .s b | i i ii - in 111, * i .ii a i ll ! illL i ii! .in in in III I . 11 * i ill . .i 11 . i n is* ll i , .ii a i II I / 2 r( 2 y 圖二傳熱綜合實驗裝置流程圖 1-光滑管空氣進口閥；2-光滑管空氣進口溫度；3-光滑管蒸汽出口； 4-光滑套管

4、 換熱器；5-光滑管空氣出口溫度；6-強化管空氣進口閥；7-強化管空氣進口溫度； 8-強化管蒸汽出口； 9-內(nèi)插有螺旋線圈的強化套管換熱器；10-光滑套管蒸汽進 口閥；12-孔板流量計；13-強化套管蒸汽進口閥；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. 實驗設備主要技術參數(shù)(如表一所示)： 表一實驗裝置結構參數(shù) 實驗內(nèi)管內(nèi)徑d ( mm 20.00 實驗內(nèi)管外徑do( mm 22.0 實驗外管內(nèi)徑D(mm 50 實驗外管外徑D (mr)i 57.0 測量段(紫銅內(nèi)管)長度 l(

5、m 1.20 強化內(nèi)管內(nèi)插物絲徑h(mm 1 （螺旋線圈）尺寸 節(jié)距H（ mn） 40 孔板流量計孔流系數(shù)及孔徑 Co=O.65、do =0.017 m 旋渦氣泵 XGB-12 型 加熱釜 操作電壓 w 200 伏 操作電流 w 10安 3. 實驗裝置面板圖（如圖三所示）： 光滑管空2入溫應r） 2- 比幣訝空氣出口汨度） 3- 強憂管空氣入口溫度心 4- 強比晉空氣出口溫度（V） 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

6、開（應 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，設定加熱電壓，啟動電加熱器開關，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。打開加熱開關，設定加熱電壓（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 w鍵，小點便向左移動一位，小點在哪個位 子上就可以利用2口鍵調(diào)節(jié)相應位子的數(shù)值，調(diào)好后在不按動儀表上任何按鍵 的情況下30秒

7、后儀表自動確認，并按所設定的數(shù)值應用。 合上面板上風機開關啟動風機并用旁路調(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、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,出口的溫度，壁面溫度后繼續(xù)實驗。 實驗結束后，依次關閉加熱、風機和總電源。一切復原。 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

8、。特別 是每次實驗結束后，進行下次實驗之前，一定檢查水位，及時補充。 2. 計算機數(shù)據(jù)采集和過程控制實驗時應嚴格按照計算機使用規(guī)程操作計算 機采集數(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，可提前啟動鼓風機，保證實驗開始時空氣入口溫度11C ） 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。轉換支路時，應先開啟需要的支路閥門，再關閉另一側閥 門，且開啟和關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，

9、即在接通風機電源之前，兩個空氣支路控制閥之一和 旁路調(diào)節(jié)閥必須全開。轉換支路時，應先關閉風機電源然后再開啟或關閉控制閥。 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)。 孔板流量計壓差.：P =0.9Kpa 壁面溫度Tw =99.4 C。 進口溫度ti =14.4 C 出口溫度t2 =63.5 C 傳熱管內(nèi)徑di (mm及流通斷面積F (m2): di = 20.0( mm ), = 0.0200 ( m); F = n (di2) /4= 3.142 X (0.0200) 2/4 = 0.000314

10、2( m 2). 傳熱管有效長度L( m)及傳熱面積Si(m2) : L = 1.200 (m ) i = n L di = 3.142 X 1.200 X 0.0200 = 0.075394(m). 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t ( C)為簡化計算，取t值為空氣進口溫度ti( C) 及出口溫度t2( C )的平均值: 即14.4 63.5 2 =38.95 (C) 2 據(jù)此查得：測量段上空氣的平均密度 p= 1.23 (Kg/m 3); 測量段上空氣的平均比熱 Cp = 1005 (J / Kg - K); 測量段上空氣的平均導熱系數(shù)入=0.0274

11、(VmK); 測量段上空氣的平均粘度卩=1.91 X ( Pa s)； 傳熱管測量段上空氣的平均普蘭特準數(shù)的0.4次方為: Pr0.4 = 0.86 空氣流過測量段上平均體積 V( m3/h )的計算: 孔板流量計體積流量：Vt1二c。A 2P 1耳1 2f2匯0910003 =0.65*3.14*0.017 2*3600/4*、=13.97 ( nVh ) V1.23 傳熱管內(nèi)平均體積流量Vm： Vm 273 t X 273 t = 13.97 273 38.95=i5.i6(帚/h ) 273 + 14.4 平均流速 um:um 二Vm/F 3600 =15.16/(0.0003142 3

12、600)=13.4 (m/s) 冷熱流體間的平均溫度差 tm ( C)的計算：測得tw= 99.4( C ) 山)+(t2 ) ：tm=tw- 乙=99.4-38.95= 60.45(C) 其他項計算： V X p x Cpt 漢 At ) 傳熱速率(W) Q- 3600 15.16 1.14 1005 (63.5-14.4) 237( W 3600 :i=Q/，tm Si = 237/(60.45 0.07539)= 52(W/mC) 測量段上空氣的平均流速: u = 12.98 (m/s) 傳熱準數(shù)Nudj / - 52 0.0200/0.0274 二 38 雷諾準數(shù) Re 二 di u

13、/ 二 0.0200 12.98 1.14/0.0000191 =15571 作圖、回歸得到準數(shù)關聯(lián)式 Nu二A Re m Pr0.4中的系數(shù)。 Nu =0.0185Re0.8022 Pr4 重復步驟（1） - （8），處理強化管的實驗數(shù)據(jù)。作圖回歸得到準數(shù)關聯(lián)式 Nu 二 BRem 中的系數(shù)。Nu 二 0.0309Re0.7884 Pr0.4 表二、實驗裝置1數(shù)據(jù)記錄及整理表（普通管換熱器） No. 1 2 3 4 5 6 7 流量（Kpa） 1 t1(C) 3 p t1(Kg/m3) t2(C) Tw( C) tm (C) 3 p tm(kg/m ) 入 tmx 100 Cp tm 卩tm

14、x 100000 “）丁 tmC) 3 Vti (m /h) V(m3/h) u(m/s) qc(W) 2 a i (W/m C) Re Nu Nu/(Pr0.4) 表三、實驗裝置1數(shù)據(jù)記錄及整理表（強化管換熱器） No. 1 2 3 4 5 6 7 流量（Kpa） t1(C) 3 p t1 (Kg/m ) t2(C) Tw( C) tm (C) 3 p tm(kg/m ) 入 tmx 100 Cp tm 卩tmx 100000 t(C) tm( C) 3 Vt1(m /h) V(m3/h) u(m/s) qc(W) ai(W/m2C) Re Nu 0 4 Nu/(Pr) 圖四傳熱實驗裝置實驗準數(shù)關聯(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. 1 2 3 4 5 6 7 流量（Kpa）: W） 3 P ti (Kg/m ) t2(C) TwC) tmC) 3 P tm(kg/m ) 入 tmx 100 Cp tm 卩tmx 100000 t( C) tm( C) 3 Vti (m3/h) 3 V(m /h) u(m/s) qc(W): a i (W/m2C) Re Nu 0 4 Nu/(Pr .) No. 1 2 3 4 5 6 7 流量（Kpa） tiCC) P ti(Kg/m3) t2(C) Tw( C) tm (C) 3 P