化工傳熱綜合實(shí)驗(yàn)

1、化工傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置說明書化學(xué)與生物工程學(xué)院環(huán)境工程實(shí)訓(xùn)室_2016 11一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.通過對(duì)空氣水蒸氣簡(jiǎn)單套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，掌握對(duì)流傳熱系數(shù)i 的測(cè)定方法，加深對(duì)其概念和影響因素的理解。2.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， 掌握對(duì)流傳熱系數(shù)i 的測(cè)定方法，加深對(duì)其概念和影響因素的理解。3.學(xué)會(huì)并應(yīng)用線性回歸分析方法，確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARe mPr0.4 中常數(shù) A、m的值。4.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)式Nu=ARe mPr0.4 計(jì)算出 Nu、Nu 0，求出強(qiáng)化比 Nu/Nu 0，加深理解強(qiáng)化傳熱的基本理論和基本方式。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.測(cè)定 5-6 組不同流速

2、下簡(jiǎn)單套管換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù)i 。2.測(cè)定 5-6 組不同流速下強(qiáng)化套管換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù)i 。3.對(duì)i 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARe mPr 0.4 中常數(shù) A、m的數(shù)值。4.通過關(guān)聯(lián)式 Nu=ARe mPr0.4 計(jì)算出 Nu、 Nu0 ，并確定傳熱強(qiáng)化比Nu/Nu 0。三、實(shí)驗(yàn)原理：1.普通套管換熱器傳熱系數(shù)測(cè)定及準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的確定：（1）對(duì)流傳熱系數(shù)i 的測(cè)定：對(duì)流傳熱系數(shù)i 可以根據(jù)牛頓冷卻定律，通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)定。因?yàn)閕 <<o,所以傳熱管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)iK，K（W/m 2 ·）為熱冷流體間的總傳熱系精品資料_數(shù)，且K Qi / tm si所

3、以：Qi（1）it mSi式中：i 管內(nèi)流體對(duì)流傳熱系數(shù)， W/(m 2? )；Qi管內(nèi)傳熱速率， W；Si管內(nèi)換熱面積， m2；t mi 管內(nèi)平均溫度差，。平均溫度差由下式確定：tmitwt m（ 2）式中： tm 冷流體的入口、出口平均溫度，；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，所以tw近似等于熱流體的平均溫度。管內(nèi)換熱面積：Sidi Li（3）i式中： d 內(nèi)管管內(nèi)徑， m；Li傳熱管測(cè)量段的實(shí)際長(zhǎng)度， m。由熱量衡算式：QiWi cpi (ti 2ti 1)（4）

4、其中質(zhì)量流量由下式求得：Vii（5）Wi3600im3/ h ；式中： V 冷流體在套管內(nèi)的平均體積流量，cpi冷流體的定壓比熱， kJ / (kg ·)； i冷流體的密度，kg /m 3 。c和 可根據(jù)定性溫度t查得， tt i1ti 2為冷流體進(jìn)出口平均溫度。t， ，mpiimi1i22tw， Vi 可采取一定的測(cè)量手段得到。（2）對(duì)流傳熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的實(shí)驗(yàn)確定：精品資料_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：Nu iA Re i m Pr in .（6）其中： Nu ii d i ， Re iu i d i i，c pi iPr iiii物性數(shù)據(jù) i、cpi、

5、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(jiǎn)化為：Nu i A Re im0 .4（ 7）Pr i這樣通過實(shí)驗(yàn)確定不同流量下Rei 與 Nu i ，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)化傳熱技術(shù)， 可以使初設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)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(shí)驗(yàn)裝置采用了多種強(qiáng)化方式

6、，具體見下表。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)，一面還圖一 螺旋線圈強(qiáng)化管內(nèi)部結(jié)構(gòu)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（2d / h ）為主要技術(shù)參數(shù)，且長(zhǎng)徑精品資料_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NuA Rem 的經(jīng)驗(yàn)公式，其中A 和 m

7、 的值因強(qiáng)化方式不同而不同。在本實(shí)驗(yàn)中，確定不同流量下的Rei 與 Nu i ，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： Nu Nu0 ，其中 Nu 是強(qiáng)化管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)， Nu 0是普通管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，顯然，強(qiáng)化比Nu Nu 0 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)裝置的基本情況：1.實(shí)驗(yàn)

8、裝置流程示意圖（如圖二所示）：精品資料_圖二傳熱綜合實(shí)驗(yàn)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(jì)； 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(chǔ)水罐 17- 液位計(jì)； 18- 蒸汽發(fā)生器； 19- 排水閥； 20- 散熱器；其中 2，5，7，11，12 為測(cè)試點(diǎn)2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)（如表一所示）：表一實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

9、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精品資料_實(shí)驗(yàn)外管內(nèi)徑Di（ mm ）50實(shí)驗(yàn)外管外徑D （ mm ）57.0o測(cè)量段（紫銅內(nèi)管）長(zhǎng)度（ m）1.20L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 ）40c0=0.65 、 d 0 =0.017孔板流量計(jì)孔流系數(shù)及孔徑m旋渦氣泵XGB 12 型操作電壓200 伏加熱釜操作電流10 安3.實(shí)驗(yàn)裝置面板圖（如圖三所示）：精品資料_圖三 傳熱過程綜合實(shí)驗(yàn)面板圖五、實(shí)驗(yàn)操作步驟：1.實(shí)驗(yàn)前的檢查準(zhǔn)備向水箱 16 中加水至液位計(jì)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

10、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(dòng)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(shí)驗(yàn)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), 直至有水精品資料_蒸氣冒出 ,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，每按一次鍵，小點(diǎn)便向左移動(dòng)一位，小點(diǎn)在哪個(gè)位子上就可以利用

11、、鍵調(diào)節(jié)相應(yīng)位子的數(shù)值， 調(diào)好后在不按動(dòng)儀表上任何按鍵的情況下 30 秒后儀表自動(dòng)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(dòng)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(cè)量空氣的流量,空氣進(jìn)、出口的溫度， 由溫度巡檢儀測(cè)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(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)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后 ,依次關(guān)閉加熱、風(fēng)機(jī)和總電源。一切復(fù)原。

12、六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1.實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行下次實(shí)驗(yàn)之前，一定檢查水位，及時(shí)補(bǔ)充。2.計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和過程控制實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照計(jì)算機(jī)使用規(guī)程操作計(jì)算機(jī) .采集數(shù)據(jù)和控制過程中要注意觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。3.開始加熱時(shí) ,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(dòng)鼓風(fēng)機(jī) ,保證實(shí)驗(yàn)開始時(shí)空氣入口溫度t1( )比較穩(wěn)定，可節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)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，兩蒸汽支路精品資料_控制閥之一必須全開。 轉(zhuǎn)換支路時(shí)， 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(shí)動(dòng)

13、作要緩慢，防止管線驟然截?cái)嗍拐羝麎毫^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(gè)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(shí)，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(cuò)。七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理過程舉例：1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算過程簡(jiǎn)介(以光滑管第一組數(shù)據(jù)為例)。孔板流量計(jì)壓差P =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) 2

14、4 0.0003142( m 2).傳熱管有效長(zhǎng)度L( )及傳熱面積 si(m2)：L 1.200 （ )siL d i3.142 ×1.200 ×0.0200 0.075394(m 2).傳熱管測(cè)量段上空氣平均物性常數(shù)的確定.先算出測(cè)量段上空氣的定性溫度t ( )為簡(jiǎn)化計(jì)算 ,取 t 值為空氣進(jìn)口溫度t1( )及出口溫度 t2( )的平均值：t1 t 2 14.463.5即 tm2=38.95 （）2據(jù)此查得 : 測(cè)量段上空氣的平均密度1.23 (Kg/m 3 )；測(cè)量段上空氣的平均比熱Cp 1005 (J Kg·K)；測(cè)量段上空氣的平均導(dǎo)熱系數(shù)0.0274 （

15、W·K)；精品資料_測(cè)量段上空氣的平均粘度1.91 ×( Pa s )；傳熱管測(cè)量段上空氣的平均普蘭特準(zhǔn)數(shù)的0.4 次方為 :Pr0.4 0.86空氣流過測(cè)量段上平均體積V （ m3/h）的計(jì)算 :孔板流量計(jì)體積流量： Vt 1c0A02Pt1=0.65*3.14*0.0172*3600/4*2 0.91000 =13.97 （m 3/h）1.23傳熱管內(nèi)平均體積流量 Vm :VmVt1273t13.9727338.95 =15.16 （ m3/h）273t27314.4平均流速 um :um Vm / F360015.16 /(0.00031423600) =13.4 （

16、m/s ）冷熱流體間的平均溫度差tm ()的計(jì)算 : 測(cè)得 tw= 99.4( )t mt wt1t299.4 38.95 60.45 （）2其他項(xiàng)計(jì)算 :傳熱速率 (W)QVtCptt360 015.161.14 1005 (63.5 -14.4)（W）2373600iQ /t m si237 /(60.45 0.07539)52 （ W/m 2 ·）傳熱準(zhǔn)數(shù)Nuidi /52 0.0200/0.0274 38測(cè)量段上空氣的平均流速：u12.98 （m/s ）雷諾準(zhǔn)數(shù)Rediu/0.020012.981.14 / 0.0000191=15571精品資料_m0 .4作圖、回歸得到準(zhǔn)數(shù)

17、關(guān)聯(lián)式NuA RePr中的系數(shù)。重復(fù)步驟（ 1 ） -（ 8），處理強(qiáng)化管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。作圖回歸得到準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式NuB Rem 中的系數(shù)。 Nu0.0309 Re0.7884 Pr0.4表二、實(shí)驗(yàn)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/m 3)t2 (）Tw( ）tm ( ）tm(kg/m 3)tm×100Cp tmtm×100000t(）tm( ）Vt1(m3 /h)V(m 3/h)u(m/s)精品資料_qc(W)2·i（W/m）ReNuNu/(Pr 0.4 )表三、實(shí)驗(yàn)裝置1 數(shù)據(jù)記錄及整理表（強(qiáng)化管換熱器

18、）No.1234567流量（ Kpa)t1 (）t1(Kg/m 3)t2 (）Tw( ）tm (）tm(kg/m 3)tm×100Cp tmtm×100000t(）tm( ）Vt1(m3 /h)V(m 3/h)u(m/s)精品資料_qc(W)2·i（W/m）ReNuNu/(Pr 0.4 )圖四傳熱實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)圖表四、實(shí)驗(yàn)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/m 3)t2 (）Tw( ）tm ( ）tm(kg/m 3)精品資料_tm×100Cp tmtm×100000t(）tm( ）Vt1(m3 /h)V(m 3/h)u(