實(shí)驗(yàn)四 傳熱綜合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和過程控制實(shí)驗(yàn)

1、4.4傳熱綜合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和過程控制實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過對(duì)空氣水蒸氣簡單套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，掌握對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定方法，加深對(duì)其概念和影響因素的理解。 應(yīng)用線性回歸分析方法，確定圓管內(nèi)強(qiáng)制湍流對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中常數(shù)A、m的值。 通過對(duì)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(shí)驗(yàn)研究，測(cè)定其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=BRem中常數(shù)B、m的值和強(qiáng)化比Nu/Nu0，了解強(qiáng)化傳熱的基本理論和基本方式。4了解熱電偶測(cè)溫技術(shù)以及傳熱過程計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和過程控制技術(shù)。 二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求實(shí)驗(yàn)4.3-1實(shí)驗(yàn)4.3-2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求 測(cè)定810個(gè)不同流速下簡單套管換熱器的對(duì)流傳熱系

2、數(shù)。 對(duì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中常數(shù)A、m的值。 測(cè)定810個(gè)不同流速下簡單套管換熱器的管內(nèi)壓降。 測(cè)定810個(gè)不同流速下強(qiáng)化套管換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù)。 對(duì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=BRem中常數(shù)B、m的值。 測(cè)定810個(gè)不同流速下強(qiáng)化套管換熱器的管內(nèi)壓降。并在同一坐標(biāo)系下繪制普通管Nu與強(qiáng)化管Nu的關(guān)系曲線。比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 同一流量下,按實(shí)驗(yàn)3-1所得準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式求得Nu0,計(jì)算傳熱強(qiáng)化比Nu/Nu0。三、實(shí)驗(yàn)原理 1 普通套管換熱器傳熱系數(shù)及其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的測(cè)定 對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定對(duì)流傳熱系數(shù)可以根據(jù)牛頓冷卻定律，用實(shí)驗(yàn)來測(cè)定。因?yàn)?lt;<

3、 ,所以傳熱管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù) 熱冷流體間的總傳熱系數(shù) （W/m2·）,即 （4-13）式中：管內(nèi)流體對(duì)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； 對(duì)數(shù)平均溫差，。 對(duì)數(shù)平均溫差由下式確定： （4-14）式中：ti1，ti2冷流體的入口、出口溫度，； tw壁面平均溫度，； 因?yàn)閾Q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，近似等于熱流體的平均溫度。 管內(nèi)換熱面積： （4-15）式中：di內(nèi)管管內(nèi)徑，m； Li傳熱管測(cè)量段的實(shí)際長度，m。 由熱量衡算式： （4-16）其

4、中質(zhì)量流量由下式求得： （4-17）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(cè)量手段得到。 對(duì)流傳熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的實(shí)驗(yàn)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 . （4-18） 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(jì)算可知，對(duì)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： （4-19）這樣通過實(shí)驗(yàn)確定不

5、同流量下的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(cè)定強(qiáng)化傳熱又被學(xué)術(shù)界稱為第二代傳熱技術(shù)，它能減小初設(shè)計(jì)的傳熱面積，以減小換熱器的體積和重量；提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；使換熱器能在較低溫差下工作；并且能夠減少換熱器的阻力以減少換熱器的動(dòng)力消耗，更有效地利用能源和資金。強(qiáng)化傳熱的方法有多種，本實(shí)驗(yàn)裝置是采用在換熱器內(nèi)管插入螺旋線圈的方法來強(qiáng)化傳熱的。圖4-8 螺旋線圈強(qiáng)化管內(nèi)部結(jié)構(gòu)螺旋線圈的結(jié)構(gòu)圖如圖4-8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

6、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(dòng)，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(shí)驗(yàn)研究總結(jié)了形式為的經(jīng)驗(yàn)公式，其中B和m的值因螺旋絲尺寸不同而不同。在本實(shí)驗(yàn)中，采用實(shí)驗(yàn)3-1中的實(shí)驗(yàn)方法確定不同流量下的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(píng)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

7、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(píng)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(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)流程圖及基本結(jié)構(gòu)參數(shù)：如圖4-9所示，實(shí)驗(yàn)裝置的主體是兩根平行的套管換熱器，內(nèi)管為紫銅材質(zhì)，外管為不銹鋼管，兩端用不銹鋼法蘭固定。實(shí)驗(yàn)的蒸汽發(fā)生釜為電加熱釜，內(nèi)有2根2.5kW螺旋形電加熱器，用200伏電壓加熱（可由固態(tài)調(diào)壓器調(diào)節(jié)）。氣源選擇XGB-2型旋渦氣泵，使用旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量。蒸汽空氣上升管路，使用三通和球閥

8、分別控制氣體進(jìn)入兩個(gè)套管換熱器。空氣由旋渦氣泵吹出，由旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，經(jīng)孔板流量計(jì)，由支路控制閥選擇不同的支路進(jìn)入換熱器。管程蒸汽由加熱釜發(fā)生后自然上升，經(jīng)支路控制閥選擇逆流進(jìn)入換熱器殼程，由另一端蒸汽出口自然噴出，達(dá)到逆流換熱的效果?？諝饨?jīng)支路控制閥7后，進(jìn)入蒸汽發(fā)生器上升主管路上的熱電偶和傳熱系數(shù)分布實(shí)驗(yàn)管，可完成熱電偶原理實(shí)驗(yàn)。裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)表4-6所示。 實(shí)驗(yàn)的測(cè)量手段 空氣流量的測(cè)量空氣主管路由孔板與差壓變送器和二次儀表組成空氣流量計(jì)，孔板流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其流量計(jì)算式為： （4-20）式中：20下空氣的體積流量，m3/h；孔板流量計(jì)兩端壓差，kPa；t1流量計(jì)處溫度（本實(shí)驗(yàn)裝置為空氣

9、入口溫度），；t1溫度為t1時(shí)的空氣密度，kg/m3。表4-6 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑di（mm）20.00實(shí)驗(yàn)內(nèi)管外徑do（mm）22.0實(shí)驗(yàn)外管內(nèi)徑Di（mm）50實(shí)驗(yàn)外管外徑Do（mm）57.0測(cè)量段（紫銅內(nèi)管）長度l（m）1.0強(qiáng)化內(nèi)管內(nèi)插物（螺旋線圈）尺寸絲徑h（mm）1節(jié)距H（mm）40加熱釜操作電壓200伏 圖4-9 空氣-水蒸氣傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置流程圖1、普通套管換熱器； 2、內(nèi)插有螺旋線圈的強(qiáng)化套管換熱器； 3、蒸汽發(fā)生器； 4、旋渦氣泵；5、旁路調(diào)節(jié)閥； 6、孔板流量計(jì)； 7、風(fēng)機(jī)出口溫度（冷流體入口溫度）測(cè)試點(diǎn)； 8、9空氣支路控制閥； 10、11、蒸汽支路控制閥；

10、12、13、蒸汽放空口；14、蒸汽上升主管路；15、加水口；16、放水口；17、液位計(jì)；18、冷凝液回流口由于被測(cè)管段內(nèi)溫度的變化，還需對(duì)體積流量進(jìn)行進(jìn)一步的校正： （4-21） 溫度的測(cè)量 實(shí)驗(yàn)采用銅-康銅熱電偶測(cè)溫（見圖4-10），空氣入、出傳熱管測(cè)量段前的溫度由電阻溫度計(jì)測(cè)量，可由多路數(shù)字顯示儀表直接讀出。（1-光滑管入口溫度、2-光滑管出口溫度、3-強(qiáng)化管入口溫度、4-強(qiáng)化管出口溫度、5-加熱釜溫度）管外壁面平均溫度tw( )由數(shù)字式溫度計(jì)直接顯示讀出。（儀表上方的顯示值為光滑管壁面平均溫度，儀表下方的顯示值為強(qiáng)化管壁面平均溫度）圖4-10 傳熱實(shí)驗(yàn)中冷流體進(jìn)出口溫度及壁溫的測(cè)量線路圖

11、 五、實(shí)驗(yàn)方法及步驟1.實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備、檢查工作： (1) 向電加熱釜加水； (2) 檢查加熱水量調(diào)解閥是否打開； (3) 檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥是否全開；(4) 檢查蒸氣管支路各控制閥是否已打開，保證蒸汽和空氣管線的暢通；(5) 接通電源總閘，設(shè)定加熱電壓，啟動(dòng)電加熱器開關(guān)，開始加熱。2. 實(shí)驗(yàn)操作： 人工實(shí)驗(yàn)操作 (1) 合上電源總開關(guān)； (2) 設(shè)定加熱電壓(不得大于200V),打開加熱電源開關(guān),直至有水蒸氣冒出,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中始終保持換熱器出口處有水蒸氣。 (3) 啟動(dòng)風(fēng)機(jī)并用放空閥來調(diào)節(jié)流量,在一定的流量下穩(wěn)定510分鐘后分別測(cè)量空氣的流量，空氣進(jìn)、出口的溫度由巡檢顯示儀（1-光滑管

12、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)管壁面的溫度由熱電偶溫度顯示儀（上-光滑管壁面溫度；下-粗糙管壁面溫度）測(cè)得。然后,在改變流量穩(wěn)定后分別測(cè)量空氣的流量,空氣進(jìn)、出口的溫度, 壁面溫度后繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。 (4) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，依次關(guān)閉加熱電源、風(fēng)機(jī)和總電源。一切復(fù)原。 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和過程控制: (1) 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)并按照操作說明進(jìn)行操作. (2) 合上電源總開關(guān), (3)按照計(jì)算機(jī)提示的要求操作可以得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。六、注意事項(xiàng) 本實(shí)驗(yàn)采用熱電偶測(cè)溫，因其冷端的溫度已進(jìn)行了自動(dòng)補(bǔ)償，所以熱電偶的冷端無需浸沒在冰水混合物中保持恒溫。 檢查蒸汽加熱

13、釜中的水位是否在正常范圍內(nèi)（水位不低于加熱釜的三分之二）。特別是每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行下一實(shí)驗(yàn)之前，如果發(fā)現(xiàn)水位過低，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)給水量。 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（見圖4-9所示）之一必須全開。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先開啟需要的支路閥，再關(guān)閉另一側(cè)，且開啟和關(guān)閉控制閥必須緩慢，防止管線截?cái)嗷蛘羝麎毫^大突然噴出。 必須保證空氣管線的暢通。即在接通風(fēng)機(jī)電源之前，三個(gè)空氣支路控制閥之一和旁路調(diào)節(jié)閥（見圖4-9所示）必須全開。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，然后開啟和關(guān)閉控制閥。 調(diào)節(jié)流量后，應(yīng)至少穩(wěn)定510分鐘后讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 實(shí)驗(yàn)中保持上升蒸汽量的穩(wěn)定，不應(yīng)改變加熱電壓，且保證蒸汽放空口一直有蒸汽放出。 六、報(bào)告內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)4.3-1的原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)結(jié)果表、準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的回歸過程、結(jié)果與具體的回歸方差分析，并以其中一組數(shù)據(jù)的計(jì)算舉例。 實(shí)驗(yàn)4.3-2的原始數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)