實驗四 傳熱綜合計算機數(shù)據(jù)采集和過程控制實驗

1、4.4傳熱綜合計算機數(shù)據(jù)采集和過程控制實驗 一、實驗目的 通過對空氣水蒸氣簡單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。 應用線性回歸分析方法，確定圓管內(nèi)強制湍流對流傳熱關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中常數(shù)A、m的值。 通過對管程內(nèi)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(guān)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和基本方式。4了解熱電偶測溫技術(shù)以及傳熱過程計算機數(shù)據(jù)采集和過程控制技術(shù)。 二、 實驗內(nèi)容與要求實驗4.3-1實驗4.3-2實驗內(nèi)容與要求 測定810個不同流速下簡單套管換熱器的對流傳熱系

2、數(shù)。 對的實驗數(shù)據(jù)進行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中常數(shù)A、m的值。 測定810個不同流速下簡單套管換熱器的管內(nèi)壓降。 測定810個不同流速下強化套管換熱器的對流傳熱系數(shù)。 對的實驗數(shù)據(jù)進行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=BRem中常數(shù)B、m的值。 測定810個不同流速下強化套管換熱器的管內(nèi)壓降。并在同一坐標系下繪制普通管Nu與強化管Nu的關(guān)系曲線。比較實驗結(jié)果。 同一流量下,按實驗3-1所得準數(shù)關(guān)聯(lián)式求得Nu0,計算傳熱強化比Nu/Nu0。三、實驗原理 1 普通套管換熱器傳熱系數(shù)及其準數(shù)關(guān)聯(lián)式的測定 對流傳熱系數(shù)的測定對流傳熱系數(shù)可以根據(jù)牛頓冷卻定律，用實驗來測定。因為<<

3、 ,所以傳熱管內(nèi)的對流傳熱系數(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； 對數(shù)平均溫差，。 對數(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，； 因為換熱器內(nèi)管為紫銅管，其導熱系數(shù)很大，且管壁很薄，故認為內(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傳熱管測量段的實際長度，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，為冷流體進出口平均溫度。ti1，ti2， tw， Vi可采取一定的測量手段得到。 對流傳熱系數(shù)準數(shù)關(guān)聯(lián)式的實驗確定流體在管內(nèi)作強制湍流，被加熱狀態(tài)，準數(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)過計算可知，對于管內(nèi)被加熱的空氣，普蘭特準數(shù)Pri變化不大，可以認為是常數(shù)，則關(guān)聯(lián)式的形式簡化為： （4-19）這樣通過實驗確定不

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、強化套管換熱器傳熱系數(shù)、準數(shù)關(guān)聯(lián)式及強化比的測定強化傳熱又被學術(shù)界稱為第二代傳熱技術(shù)，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(nèi)管插入螺旋線圈的方法來強化傳熱的。圖4-8 螺旋線圈強化管內(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，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(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家通過實驗研究總結(jié)了形式為的經(jīng)驗公式，其中B和m的值因螺旋絲尺寸不同而不同。在本實驗中，采用實驗3-1中的實驗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：，其中Nu是強化管的努塞爾準數(shù)，Nu0是普通管的

7、努塞爾準數(shù)，顯然，強化比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 實驗流程圖及基本結(jié)構(gòu)參數(shù)：如圖4-9所示，實驗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。實驗的蒸汽發(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、分別控制氣體進入兩個套管換熱器?？諝庥尚郎u氣泵吹出，由旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，經(jīng)孔板流量計，由支路控制閥選擇不同的支路進入換熱器。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入換熱器殼程，由另一端蒸汽出口自然噴出，達到逆流換熱的效果?？諝饨?jīng)支路控制閥7后，進入蒸汽發(fā)生器上升主管路上的熱電偶和傳熱系數(shù)分布實驗管，可完成熱電偶原理實驗。裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)表4-6所示。 實驗的測量手段 空氣流量的測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，孔板流量計為標準設計，其流量計算式為： （4-20）式中：20下空氣的體積流量，m3/h；孔板流量計兩端壓差，kPa；t1流量計處溫度（本實驗裝置為空氣

9、入口溫度），；t1溫度為t1時的空氣密度，kg/m3。表4-6 實驗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實驗內(nèi)管內(nèi)徑di（mm）20.00實驗內(nèi)管外徑do（mm）22.0實驗外管內(nèi)徑Di（mm）50實驗外管外徑Do（mm）57.0測量段（紫銅內(nèi)管）長度l（m）1.0強化內(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-水蒸氣傳熱綜合實驗裝置流程圖1、普通套管換熱器； 2、內(nèi)插有螺旋線圈的強化套管換熱器； 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； 7、風機出口溫度（冷流體入口溫度）測試點； 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；18、冷凝液回流口由于被測管段內(nèi)溫度的變化，還需對體積流量進行進一步的校正： （4-21） 溫度的測量 實驗采用銅-康銅熱電偶測溫（見圖4-10），空氣入、出傳熱管測量段前的溫度由電阻溫度計測量，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-強化管入口溫度、4-強化管出口溫度、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化管壁面平均溫度）圖4-10 傳熱實驗中冷流體進出口溫度及壁溫的測量線路圖

11、 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； (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，設定加熱電壓，啟動電加熱器開關(guān)，開始加熱。2. 實驗操作： 人工實驗操作 (1) 合上電源總開關(guān)； (2) 設定加熱電壓(不得大于200V),打開加熱電源開關(guān),直至有水蒸氣冒出,在整個實驗過程中始終保持換熱器出口處有水蒸氣。 (3) 啟動風機并用放空閥來調(diào)節(jié)流量,在一定的流量下穩(wěn)定510分鐘后分別測量空氣的流量，空氣進、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。 (4) 實驗結(jié)束后，依次關(guān)閉加熱電源、風機和總電源。一切復原。 計算機數(shù)據(jù)采集和過程控制: (1) 啟動計算機并按照操作說明進行操作. (2) 合上電源總開關(guān), (3)按照計算機提示的要求操作可以得到實驗結(jié)果。六、注意事項 本實驗采用熱電偶測溫，因其冷端的溫度已進行了自動補償，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）。特別是每個實驗結(jié)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。 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，應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，防止管線截斷或蒸汽壓力過大突然噴出。 必須保證空氣管線的暢通。即在接通風機電源之前，三個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，應先關(guān)閉風機電源，然后開啟和關(guān)閉控制閥。 調(diào)節(jié)流量后，應至少穩(wěn)定510分鐘后讀取實驗數(shù)據(jù)。 實驗中保持上升蒸汽量的穩(wěn)定，不應改變加熱電壓，且保證蒸汽放空口一直有蒸汽放出。 六、報告內(nèi)容 實驗4.3-1的原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)結(jié)果表、準數(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)的計算舉例。 實驗4.3-2的原始數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)