氣-汽對(duì)流傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置說明書

1、氣汽 對(duì) 流 傳 熱 綜 合 實(shí) 驗(yàn) 裝 置 (計(jì)算機(jī)控制說 明 書天 津 大 學(xué)化 工 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 實(shí) 驗(yàn) 中 心2003年 5月一、 實(shí)驗(yàn)裝置的基本功能和特點(diǎn)本實(shí)驗(yàn)裝置是以空氣和水蒸汽為介質(zhì),對(duì)流換熱的簡單套管換熱器和強(qiáng)化內(nèi)管的套管 換熱器。通過對(duì)本換熱器的實(shí)驗(yàn)研究,可以掌握對(duì)流傳熱系數(shù) i 的測定方法,加深對(duì)其概念和影響因素的理解。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。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

2、和基本方式。實(shí)驗(yàn)裝置的主要特點(diǎn)如下:1.實(shí)驗(yàn)操作方便 , 安全可靠。2.數(shù)據(jù)穩(wěn)定 , 強(qiáng)化效果明顯,用圖解法求得的回歸式與經(jīng)驗(yàn)公式很接近。3.水 , 電的耗用小 , 實(shí)驗(yàn)費(fèi)用低。4. 傳熱管路采用管道法蘭聯(lián)接 , 不但密封性能好 , 而且拆裝也很方便。5. 箱式結(jié)構(gòu),外觀整潔,移動(dòng)方便。二、強(qiáng)化套管換熱器實(shí)驗(yàn)簡介強(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

3、來強(qiáng)化傳熱的。螺旋線圈的結(jié)構(gòu)圖如圖 1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(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 mB Nu Re 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。采用實(shí)驗(yàn) 3-1中的實(shí)驗(yàn)方法確定不同

4、流量下得 Rei 與 i Nu ,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:0Nu Nu ,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 0Nu Nu >1,而且它的值越大,強(qiáng)化效果越好。 三、 設(shè)備主要技術(shù)數(shù)據(jù)圖 1 螺旋線圈內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2. (1 由孔板與壓力傳感器及數(shù)字顯示儀表組成空氣流量計(jì)。空氣流量由公式 1計(jì) 算。5. 00 (034. 20P V t = 1其中,0t V - 20 下的體積流量, m 3/h ;P -孔板兩端壓差, Kpa1t-空氣入口溫

5、度(及流量計(jì)處溫度下密度, Kg/m3。(m3/h與壓差之間的關(guān)系。(2 要想得到實(shí)驗(yàn)條件下的空氣流量 V (m3/h則需按下式計(jì)算 : 02732730t V V t += 2 其中, V -實(shí)驗(yàn)條件(管內(nèi)平均溫度下的空氣流量, m3/h;-換熱器管內(nèi)平均溫度,;t1-傳熱內(nèi)管空氣進(jìn)口(即流量計(jì)處溫度,。(1 空氣入傳熱管測量段前的溫度 t 1 ( 由電阻溫度計(jì)測量,可由數(shù)字顯示儀表 直接讀出。(2 空氣出傳熱管測量段時(shí)的溫度 t 2 ( 由電阻溫度計(jì)測量,可由數(shù)字顯示儀表直 接讀出。(3 管外壁面平均溫度 tw( 由數(shù)字式毫伏計(jì)測出與其對(duì)應(yīng)的熱電勢 E(mv,熱電 偶是由銅康銅組成 , 再

6、由 E 根據(jù)公式 :tw( = 1.2705+23.518×E(mv計(jì)算得到。是產(chǎn)生水蒸汽的裝置 , 使用體積為 7升 (加水至液位計(jì)的上端紅線 , 內(nèi)裝有一支 2.5kw 的螺旋形電熱器 , 當(dāng)水溫為 30時(shí) , 用 200伏電壓加熱 , 約 25分鐘后水便沸騰 , 為了安全和 長久使用 , 建議最高加熱 (使用 電壓不超過 200伏 (由固態(tài)調(diào)壓器調(diào)節(jié) 。5. 氣源 (鼓風(fēng)機(jī) 又稱旋渦氣泵 , XGB 2型 , 由無錫市儀表二廠生產(chǎn) , 電機(jī)功率約 0.75 KW(使用三相電 源 , 在本實(shí)驗(yàn)裝置上 , 產(chǎn)生的最大和最小空氣流量基本滿足要求 , 使用過程中 , 輸出空氣的 溫度呈

7、上升趨勢。6. 穩(wěn)定時(shí)間是指在外管內(nèi)充滿飽和蒸汽 , 并在不凝氣排出口有適量的汽 (氣 排出 , 空氣流量調(diào)節(jié) 好后 , 過 15分鐘 , 空氣出口的溫度 t 2 ( 可基本穩(wěn)定。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備流程圖 : 見附圖所示。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 向電加熱釜加水至液位計(jì)上端紅線處。(2 向冰水保溫瓶中加入適量的冰水 , 并將冷端補(bǔ)償熱電偶插入其中。(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)開始 .(1一段時(shí)間后水沸騰 , 水蒸汽自行充入

8、普通套管換熱器外管,觀察蒸汽排出口有恒量 蒸汽排出,標(biāo)志著實(shí)驗(yàn)可以開始。(2 約加熱十分鐘后 , 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 t 1( 比較穩(wěn) 定。(3 調(diào)節(jié)空氣流量旁路閥的開度 , 使壓差計(jì)的讀數(shù)為所需的空氣流量值 (當(dāng)旁路閥全開 時(shí) , 通過傳熱管的空氣流量為所需的最小值 , 全關(guān)時(shí)為最大值 。(4穩(wěn)定 5-8分鐘左右可轉(zhuǎn)動(dòng)各儀表選擇開關(guān)讀取 t 1,t 2, E 值。 (注意:第 1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn) 必須穩(wěn)定足夠的時(shí)間 (5 重復(fù) (3與 (4共做 710個(gè)空氣流量值。(6 最小 , 最大流量值一定要做。(7 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中 , 加熱電壓可以保持 (調(diào)節(jié) 不變 , 也可隨空

9、氣流量的變化作適當(dāng)?shù)?調(diào)節(jié)。3.轉(zhuǎn)換支路,重復(fù)步驟 2的內(nèi)容,進(jìn)行強(qiáng)化套管換熱器的實(shí)驗(yàn)。測定 710組實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)。4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束 .(1關(guān)閉加熱器開關(guān)。(2 過 5分鐘后關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī) , 并將旁路閥全開。(3 切段總電源(4 若需幾天后再做實(shí)驗(yàn) , 則應(yīng)將電加熱釜和冰水保溫瓶中的水放干凈。五 . 使用本實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)注意的事項(xiàng)1.由于采用熱電偶測溫,所以實(shí)驗(yàn)前要檢查冰桶中是否有冰水混合物共存。檢查熱 電偶的冷端,是否全部浸沒在冰水混合物中。2.檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常范圍內(nèi)。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。3.必須保證蒸汽上升管線的暢通。即在給蒸汽

10、加熱釜電壓之前,兩蒸汽支路控制閥 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。4.必須保證空氣管線的暢通。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。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。5.電源線的相線 , 中線不能接錯(cuò) , 實(shí)驗(yàn)架一定要接地。6.數(shù)字電壓表及溫度、壓差的數(shù)字顯示儀表的信號(hào)輸入端不能 " 開路 " 。六 . 附錄1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算過程簡介 (以普通管第一列數(shù)據(jù)為例 ?？装辶髁坑?jì)壓差 P =0.20Kpa、進(jìn)口溫度 t 1 =33、出

11、口溫度 t 2 =74.60 壁面溫度熱電 勢 4.23mv。已知數(shù)據(jù)及有關(guān)常數(shù) :(1傳熱管內(nèi)徑 d i (mm及流通斷面積 F(m2.di=20.0(mm , =0.0200 (m ;F=(d i 2 /4=3.142×(0.0200 2/4=0.0003142( m2.(2傳熱管有效長度 L(m 及傳熱面積 s i (m2. L=1.00(m si =L di =3.142×1.00×0.0200=0.06284(m2.(3 t1 ( 為孔板處空氣的溫度 , 為由此值查得空氣的平均密度 1t ,例如:t 1=33,查得 1t =1.153 Kg/m3。 (4

12、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(jì)算 , 取 t 值為空氣進(jìn)口溫度 t 1( 及 出口溫度 t 2( 的平均值 , 即 26. 7433221+=+=t t =53.80( 此查得 : 測量段上空氣的平均密度 =1.08 (Kg/m3;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(dǎo)熱系數(shù) =0.0285(W/m·K;測量段上空氣的平均粘度 =0.0000198 (s Pa ;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 :(5空氣流過測量段上平均體積 V ( m3/h的計(jì)算 : /(96.

13、 8 19. 0(034. 20 (034. 2035. 05. 00h m P V t =99. 9202738. 5327396. 827327310=+=+=t V V t (m 3/h (6冷熱流體間的平均溫度差 tm ( 的計(jì)算 :(96. 4680. 5375. 100221=-=+-=t t T t w m ( (7其余計(jì)算 :傳熱速率 (W (120360096. 461005153. 196. 83600=t Cp V Q (W (41 06284. 096. 46/(120/=i m i s t Q (W/m2·傳熱準(zhǔn)數(shù) 290284. 0/0200. 042/=i i d Nu測量段上空氣的平均流速(84. 8 36000003142. 0/(99. 93600/=F V u (m/s 雷諾準(zhǔn)數(shù)0000198. 0/08. 184. 80200. 0/Re =u d i =9682 (8作圖、回歸得到準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 4. 0Pr Re m A Nu =中的系數(shù)。(9重復(fù)(1 -(8步,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 m B Nu Re =中的系數(shù)。 40Pr 740Re 03720. . . Nu =2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備流程圖1