氣-汽對流傳熱綜合實驗裝置說明書

1、氣汽 對 流 傳 熱 綜 合 實 驗 裝 置 (計算機控制說 明 書天 津 大 學化 工 技 術 基 礎 實 驗 中 心2003年 5月一、 實驗裝置的基本功能和特點本實驗裝置是以空氣和水蒸汽為介質,對流換熱的簡單套管換熱器和強化內管的套管 換熱器。通過對本換熱器的實驗研究,可以掌握對流傳熱系數(shù) i 的測定方法,加深對其概念和影響因素的理解。并應用線性回歸分析方法,確定關聯(lián)式 Nu=ARemPr0.4中常數(shù) A 、 m的值。通過對管程內部插有螺旋線圈的空氣 -水蒸氣強化套管換熱器的實驗研究,測定其準數(shù)關聯(lián)式 Nu=BRem 中常數(shù) B 、 m 的值和強化比 Nu/Nu0,了解強化傳熱的基本理論

2、和基本方式。實驗裝置的主要特點如下:1.實驗操作方便 , 安全可靠。2.數(shù)據穩(wěn)定 , 強化效果明顯,用圖解法求得的回歸式與經驗公式很接近。3.水 , 電的耗用小 , 實驗費用低。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. 箱式結構,外觀整潔,移動方便。二、強化套管換熱器實驗簡介強化傳熱又被學術界稱為第二代傳熱技術,它能減小初設計的傳熱面積,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力消耗,更有效地利用能源和資金。強化傳熱的方法有多種,本實驗裝置是采用在換熱器內管插入螺旋線圈的方法

3、來強化傳熱的。螺旋線圈的結構圖如圖 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,即可構成一種強化傳熱管。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,一面還周期 性地受到線圈的螺旋金屬絲的擾動,因而可以 使傳熱強化。由于繞制線圈的金屬絲直徑很細,流體旋流強度也較弱,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 與管內徑 d 的比值技術參數(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家通過實驗研究總結了形式為 mB Nu Re 的經驗公 式,其中 B 和 m 的值因螺旋絲尺寸不同而不同。采用實驗 3-1中的實驗方法確定不同

4、流量下得 Rei 與 i Nu ,用線性回歸方法可確定 B 和 m 的值。單純研究強化手段的強化效果(不考慮阻力的影響,可以用強化比的概念作為評判 準則,它的形式是:0Nu Nu ,其中 Nu 是強化管的努塞爾準數(shù), Nu0是普通管的努塞爾 準數(shù),顯然,強化比 0Nu Nu >1,而且它的值越大,強化效果越好。 三、 設備主要技術數(shù)據圖 1 螺旋線圈內部結構 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?？諝饬髁坑晒?1計 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(及流量計處溫度下密度, Kg/m3。(m3/h與壓差之間的關系。(2 要想得到實驗條件下的空氣流量 V (m3/h則需按下式計算 : 02732730t V V t += 2 其中, V -實驗條件(管內平均溫度下的空氣流量, m3/h;-換熱器管內平均溫度,;t1-傳熱內管空氣進口(即流量計處溫度,。(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的溫度 t 2 ( 由電阻溫度計測量,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)字式毫伏計測出與其對應的熱電勢 E(mv,熱電 偶是由銅康銅組成 , 再

6、由 E 根據公式 :tw( = 1.2705+23.518×E(mv計算得到。是產生水蒸汽的裝置 , 使用體積為 7升 (加水至液位計的上端紅線 , 內裝有一支 2.5kw 的螺旋形電熱器 , 當水溫為 30時 , 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)調壓器調節(jié) 。5. 氣源 (鼓風機 又稱旋渦氣泵 , XGB 2型 , 由無錫市儀表二廠生產 , 電機功率約 0.75 KW(使用三相電 源 , 在本實驗裝置上 , 產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)定時間是指在外管內充滿飽和蒸汽 , 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、實驗設備流程圖 : 見附圖所示。五、實驗方法及步驟1.實驗前的準備 , 檢查工作 .(1 向電加熱釜加水至液位計上端紅線處。(2 向冰水保溫瓶中加入適量的冰水 , 并將冷端補償熱電偶插入其中。(3 檢查空氣流量旁路調節(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,設定加熱電壓,啟動電加熱器開關,開始加熱。2. 實驗開始 .(1一段時間后水沸騰 , 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,標志著實驗可以開始。(2 約加熱十分鐘后 , 可提前啟動鼓風機 , 保證實驗開始時空氣入口溫度 t 1( 比較穩(wěn) 定。(3 調節(jié)空氣流量旁路閥的開度 , 使壓差計的讀數(shù)為所需的空氣流量值 (當旁路閥全開 時 , 通過傳熱管的空氣流量為所需的最小值 , 全關時為最大值 。(4穩(wěn)定 5-8分鐘左右可轉動各儀表選擇開關讀取 t 1,t 2, E 值。 (注意:第 1個數(shù)據點 必須穩(wěn)定足夠的時間 (5 重復 (3與 (4共做 710個空氣流量值。(6 最小 , 最大流量值一定要做。(7 整個實驗過程中 , 加熱電壓可以保持 (調節(jié) 不變 , 也可隨空

9、氣流量的變化作適當?shù)?調節(jié)。3.轉換支路,重復步驟 2的內容,進行強化套管換熱器的實驗。測定 710組實驗 數(shù)據。4. 實驗結束 .(1關閉加熱器開關。(2 過 5分鐘后關閉鼓風機 , 并將旁路閥全開。(3 切段總電源(4 若需幾天后再做實驗 , 則應將電加熱釜和冰水保溫瓶中的水放干凈。五 . 使用本實驗設備應注意的事項1.由于采用熱電偶測溫,所以實驗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。特別是每個實驗結束后,進行下一 實驗之前,如果發(fā)現(xiàn)水位過低,應及時補給水量。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。在轉換支路時,應先開啟需要的支路閥,再關閉另一側,且開啟和關閉控 制閥必須緩慢,防止管線截斷或蒸汽壓力過大突然噴出。4.必須保證空氣管線的暢通。即在接通風機電源之前,兩個空氣支路控制閥之一和 旁路調節(jié)閥必須全開。在轉換支路時,應先關閉風機電源,然后開啟和關閉控制閥。5.電源線的相線 , 中線不能接錯 , 實驗架一定要接地。6.數(shù)字電壓表及溫度、壓差的數(shù)字顯示儀表的信號輸入端不能 " 開路 " 。六 . 附錄1.實驗數(shù)據的計算過程簡介 (以普通管第一列數(shù)據為例 ?？装辶髁坑媺翰?P =0.20Kpa、進口溫度 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)據及有關常數(shù) :(1傳熱管內徑 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 ( 為簡化計算 , 取 t 值為空氣進口溫度 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 ( 的計算 :(96. 4680. 5375. 100221=-=+-=t t T t w m ( (7其余計算 :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 雷諾準數(shù)0000198. 0/08. 184. 80200. 0/Re =u d i =9682 (8作圖、回歸得到準數(shù)關聯(lián)式 4. 0Pr Re m A Nu =中的系數(shù)。(9重復(1 -(8步,處理強化管的實驗數(shù)據。作圖、回歸得到準數(shù)關聯(lián)式 m B Nu Re =中的系數(shù)。 40Pr 740Re 03720. . . Nu =2. 實驗設備流程圖1