傳熱綜合計算機數(shù)據(jù)采集和過程控制實驗

1、對流傳熱實驗裝置說明書天津大學化工基礎(chǔ)實驗中心2013.06 一、實驗目的：1.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。2.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， 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。3.學會并應(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。4.由實驗數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4計算出Nu、Nu0，求出強化比Nu/Nu0，加深理解強化傳熱的基本理論和基本方式。5可通過計算機程序運行完成整個實驗的調(diào)節(jié)控制，了解電動調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)方法，同時計算

2、機系統(tǒng)自動對實驗數(shù)據(jù)進行采集、處理以及圖像生成。二、實驗內(nèi)容：1.測定5-6組不同流速下簡單套管換熱器的對流傳熱系數(shù)。2.測定5-6組不同流速下強化套管換熱器的對流傳熱系數(shù)。3.對的實驗數(shù)據(jù)進行線性回歸，確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中常數(shù)A、m的數(shù)值。4.通過關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4計算出Nu、Nu0，并確定傳熱強化比Nu/Nu0。三、實驗原理：1.普通套管換熱器傳熱系數(shù)測定及準數(shù)關(guān)聯(lián)式的確定：（1）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，通過實驗來測定。因為<< ,所以傳熱管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)K，K（W/m2·）為熱冷流體間的總傳熱系數(shù)，且 所以

3、： （1）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； 管內(nèi)平均溫度差，。平均溫度差由下式確定： （2）式中：冷流體的入口、出口平均溫度，； 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，所以tw近似等于熱流體的平均溫度。管內(nèi)換熱面積： （3）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）其中質(zhì)量流量由下式求得： （5）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

4、/ (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。（2）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： . （6）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： （7）這樣通過實驗確定不同流量下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：強化傳熱技術(shù)，可以使初設(shè)

5、計的傳熱面積減小，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，達到強化傳熱的目的。同時換熱器能夠在較低溫差下工作，減少了換熱器工作阻力，以減少動力消耗，更合理有效地利用能源。強化傳熱的方法有多種，本實驗裝置采用了多種強化方式，具體見下表。圖一 螺旋線圈強化管內(nèi)部結(jié)構(gòu)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，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

6、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。科學家通過實驗研究總結(jié)了形式為的經(jīng)驗公式，其中A和m的值因強化方式不同而不同。在本實驗中，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

7、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、實驗裝置的基本情況：1.實驗裝置流程示意圖（如圖二所示）：圖二 傳熱綜合實驗裝置流程圖1-光滑管空氣進口閥；2-光滑管空氣進口溫度；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-強化管空氣進口閥；7-強化管空氣進口溫度；8-強化管蒸汽出口；9-內(nèi)插有螺旋線圈的強化套管換熱器；10-光滑套管蒸汽進口閥；12-孔板流量計；13-強化套管蒸汽進口閥；14-空氣旁路調(diào)節(jié)閥；15-旋渦氣泵；16-儲水罐17-液位計；18-蒸汽發(fā)生器；19-排水閥；20-散熱器；其中2，5，7，11，12為測試點2.實驗

8、設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)（如表一所示）：表一 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）1.20強化內(nèi)管內(nèi)插物絲徑h（mm）1（螺旋線圈）尺寸節(jié)距H（mm）40孔板流量計孔流系數(shù)及孔徑c0=0.65、d0 =0.014 m旋渦氣泵XGB2型加熱釜操作電壓200伏 操作電流10安3.實驗裝置面板圖（如圖三所示）：圖三 傳熱過程綜合實驗面板圖五、實驗操作步驟：1.實驗前的檢查準備向水箱中加水至液位計上端。檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥5是否全開(應(yīng)全開)。檢查蒸氣管支路各控制閥10（1

9、1）和空氣支路控制閥8（9）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，啟動電加熱器開關(guān)，開始加熱。2. 開始實驗 手動實驗操作：STPO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),直至有水蒸氣冒出,在整個實驗過程中始終保持換熱器蒸汽放空口12（13）處有水蒸氣冒出。（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，每按一次鍵，小點便向左移動一位，小點在哪個位子上就可以利用、鍵調(diào)節(jié)相應(yīng)位子的數(shù)值，調(diào)好后在不按動儀表上任何按鍵的情況下30秒后儀表自動確認，并按所設(shè)定的數(shù)值應(yīng)用） 利用變頻器

10、啟動風機（按變頻器上的 STOP 鍵）并用旁路調(diào)節(jié)閥5來調(diào)，節(jié)空氣的流量,在一定的流量下穩(wěn)定35分鐘后分別測量空氣的流量,空氣進、出口的溫度，由溫度巡檢儀測量（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。 實驗結(jié)束后,依次關(guān)閉加熱、風機和總電源。一切復原。應(yīng)用計算機操作；啟動計算機，實驗設(shè)備通電，關(guān)閉空氣旁路調(diào)節(jié)閥。更改變頻器中參數(shù)，將變頻器設(shè)置調(diào)到計算機控制狀態(tài)。調(diào)節(jié)方法如下：

11、按變頻器（DSP/FUN）鍵示窗變?yōu)椋‵000）利用（，)鍵，將（F000）改為（F010），按（READ/ENTER）鍵示窗變?yōu)椋?000）利用（，)鍵，將（0000）改為（0001）再按（READ/ENTER）鍵示窗變?yōu)椋‵010）利用（，)鍵，將（F010）改為（F011），按（READ/ENTER）鍵示窗變?yōu)椋?000）利用（，) ，將（0000）改為（0002）按（READ/ENTER）后，再按按變頻器（DSP/FUN），此時變頻器為自動計算機控制狀態(tài)。打開計算機進入應(yīng)用程序，在實驗操作界面中點擊（加熱電壓開關(guān)）上的綠色按鍵，在加熱電壓的紅色數(shù)字上點擊，在彈出的對話窗中輸入相應(yīng)加熱電

12、壓值后，確定并開始加熱。待換熱器有連續(xù)的蒸汽冒出后，在實驗操作界面中點擊（風機開關(guān)）綠色按鍵，啟動風機后。在實驗操作界面中選擇所進行的實驗管路。在流量調(diào)節(jié)窗中輸入一定的數(shù)值后，按下（流量調(diào)節(jié)）鍵，程序會按所輸入的數(shù)值相應(yīng)的調(diào)節(jié)變頻器的頻率，以達到改變空氣流量的目的，待流量穩(wěn)定35分鐘后，點擊（數(shù)據(jù)采集）即可完成一次數(shù)據(jù)的記錄，在操作界面的上方會顯示出這次所采集的數(shù)據(jù)，在操作界面的右下的圖中出現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集點。后再在流量調(diào)節(jié)窗中輸入數(shù)值用以改變流量，待流量穩(wěn)定后繼續(xù)采集。待整個換熱器實驗結(jié)束后點擊操作界面左上方的（文件）按鍵選擇（結(jié)束實驗），對實驗數(shù)據(jù)進行保存。切換另一個換熱器，實驗步驟同上，

13、進行數(shù)據(jù)采集。待數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，將兩次實驗結(jié)果合并一處進行整理，對數(shù)據(jù)和圖象進行保存或打印。結(jié)束實驗。結(jié)束實驗，可利用計算機程序關(guān)閉風機和停止加熱，最后結(jié)束程序一切復原。六、實驗注意事項：1.實驗前將加熱器內(nèi)的水要加到指定位置,防止電熱器干燒損壞電器。特別是每次實驗結(jié)束后，進行下次實驗之前，一定檢查水位，及時補充。2.計算機數(shù)據(jù)采集和過程控制實驗時應(yīng)嚴格按照計算機使用規(guī)程操作計算機.采集數(shù)據(jù)和控制過程中要注意觀察實驗現(xiàn)象。3.開始加熱時,加熱電壓控制在(160V)左右為宜。4.加熱約十分鐘后,可提前啟動鼓風機,保證實驗開始時空氣入口溫度t1()比較穩(wěn)定，可節(jié)省實驗時間。5.必須保證蒸汽上升管線

14、的暢通。即在給蒸汽加熱釜電壓之前，兩蒸汽支路控制閥之一必須全開。轉(zhuǎn)換支路時，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)閉控制閥門時動作要緩慢，防止管線驟然截斷使蒸汽壓力過大而突然噴出。6.保證空氣管線暢通，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(diào)節(jié)閥必須全開。轉(zhuǎn)換支路時，應(yīng)先關(guān)閉風機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。七、實驗數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理過程舉例：1.實驗數(shù)據(jù)的計算過程簡介(以光滑管第一組數(shù)據(jù)為例)?？装辶髁坑媺翰?0.51Kpa 壁面溫度tw =100.2。進口溫度t1 =18.1 出口溫度 t2 =64.7 傳熱管內(nèi)徑di (m

15、m)及流通斷面積 F(m2)： di20.0(),0.0200 (); F(di2)43.142×(0.0200)240.0003142( m2).傳熱管有效長度 L()及傳熱面積si(m2)： L1.200（) siL di3.142×1.200×0.02000.075394(m2).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t1()及出口溫度t2()的平均值：即=41.4（）據(jù)此查得: 測量段上空氣的平均密度 1.13 (Kg/m3)；測量段上空氣的平均比熱 Cp1005 (JKg·K)；

16、測量段上空氣的平均導熱系數(shù) 0.0276（W·K)；測量段上空氣的平均粘度 0.0000192()；傳熱管測量段上空氣的平均普蘭特準數(shù)的0.4次方為: Pr0.40.6960.40.865空氣流過測量段上平均體積（ m3/h）的計算:孔板流量計體積流量：=0.65*3.14*0.01652*3600/4*=10.43（m3/h）傳熱管內(nèi)平均體積流量: =11.27（m3/h）平均流速: =9.96（m/s）冷熱流體間的平均溫度差tm ()的計算: 測得 tw= 99.9()（）其他項計算:傳熱速率(W) （W） （W/m2·） 傳熱準數(shù) 測量段上空氣的平均流速： （m/s）雷諾準數(shù) =11794作圖、回歸得到準數(shù)關(guān)聯(lián)式中的系數(shù)。重復步驟（1）-（8），處理強化管的實驗數(shù)據(jù)。作圖回歸得到準數(shù)關(guān)聯(lián)式中的系數(shù)。表二、實驗裝置數(shù)據(jù)記錄及整理表（普通管換熱器）No.1234567流量（Kpa)T1(）T1(Kg/m3)T2(）Tw(）at(） at(kg/m