傳熱綜合實驗控制裝置

、實驗?zāi)康牧私忾g壁式傳熱元件，掌握給熱系數(shù)測定的實驗方法；測定列管式換熱器的總傳熱系數(shù)，測定管內(nèi)傳熱系數(shù)a與Re之間的關(guān)系；考察流體流速對總傳熱系數(shù)的影響；比較套管換熱器中普通管和強化管給熱系數(shù)的不同；比較并流流動傳熱和逆流流動傳熱的特點，并測定其給熱系數(shù)的大??；掌握熱電阻測溫的方法，觀察水蒸氣在水平管外壁上的冷凝現(xiàn)象；學會給熱系數(shù)測定的實驗數(shù)據(jù)處理方法，了解影響給熱系數(shù)的因素和強化傳熱的途徑。二、基本原理Tt圖4—1間壁式傳熱過程示意圖在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量情況下，冷、熱流體系通過固體壁面(傳熱元件)進行熱量交換，稱為間壁式換熱，如圖(4Tt圖4—1間壁式傳熱過程示意圖傳熱過程達到穩(wěn)定時，有Q=mc(T-T)=mc(t-1)1pl1A2p2,2 1、=aAT-T)=aA(-1)11 WM22Wm=KA曷m(4—1)式中：Q—傳熱量,J/s；m1—熱流體的質(zhì)量流率，kg/s；cp1—熱流體的比熱，J/(kg?°C)；T1—熱流體的進口溫度，C；T2—熱流體的出口溫度，C；m2—冷流體的質(zhì)量流率，kg/s；cp2—冷流體的比熱，J/kg?C)；t1—冷流體的進口溫度，C；t2—冷流體的出口溫度，C；以]—熱流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，W/(m2°C)；A]—熱流體側(cè)的對流傳熱面積，m2；T-Tw)—熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差，C；以2—冷流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，W/(m2?C)；

A2—冷流體側(cè)的對流傳熱面積，m2；(tw-1)一固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差，°C；K一以傳熱面積A為基準的總給熱系數(shù)，W/(m2C)；△tm一冷熱流體的對數(shù)平均溫差，C；熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差可由式(4—2)計算，T-T)="TW1)七Tw2) (4—2)wm T-Tlniwi式中：TW1—熱流體進口處熱流體側(cè)的壁面溫度，C；tW2—熱流體出口處熱流體側(cè)的壁面溫度，C。固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差可由式(4—3)計算，(t-t)=，W1-ti)-(tW2-t2) (4—3)wm t—tln t—t式中：tw1—冷流體進2口處冷流體側(cè)的壁面溫度，C；tw2一冷流體出口處冷流體側(cè)的壁面溫度，C。熱、冷流體間的對數(shù)平均溫差可由式(4—4)計算，AtmAtmG-1)-&-1)

lnTi-12

T-t(4—4)當在套管式間壁換熱器中，環(huán)隙通水蒸氣，內(nèi)管通冷空氣或水進行對流傳熱系數(shù)測定實驗時，則由式(4—1)得內(nèi)管內(nèi)壁面與冷空氣或水的對流傳熱系數(shù)，(4—5)實驗中測定紫銅管的壁溫tpt,；冷空氣或水的進出口溫度匕、L；實驗用W1W2 1 2紫銅管的長度/、內(nèi)徑d2,A2=%l；和冷流體的質(zhì)量流量，即可計算a2。然而，直接測量固體壁面的溫度，尤其管內(nèi)壁的溫度，實驗技術(shù)難度大，而且所測得的數(shù)據(jù)準確性差，帶來較大的實驗誤差。因此，通過測量相對較易測定的冷熱流體溫度來間接推算流體與固體壁面間的對流給熱系數(shù)就成為人們廣泛采用的一種實驗研究手段。由式(4—1)得，K=m2C2°2-t1) (4—6)AAtm實驗測定m、t、t、T、T、并查取t=1(+t)下冷流體對應(yīng)的、換21212 平均21 2

熱面積A,即可由上式計算得總給熱系數(shù)K。下面通過兩種方法來求對流給熱系數(shù)。1.近似法求算對流給熱系數(shù)a2以管內(nèi)壁面積為基準的總給熱系數(shù)與對流給熱系數(shù)間的關(guān)系為，(4(4-7)F+RS1才+0dm 1 11式中：d1-換熱管外徑，m；d2—換熱管內(nèi)徑，m；dm-換熱管的對數(shù)平均直徑，m；b-換熱管的壁厚，m；—換熱管材料的導熱系數(shù)，W/(m°C)；Rs1—換熱管外側(cè)的污垢熱阻，m2-KW；RS2—換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻，⑺2-KW。用本裝置進行實驗時，管內(nèi)冷流體與管壁間的對流給熱系數(shù)約為幾十到幾百Wm2.K；而管外為蒸汽冷凝，冷凝給熱系數(shù)七可達?104Wm2.K左右，因此冷凝傳熱熱阻4可忽略，同時蒸汽冷凝較為清潔，因此換熱管外側(cè)的污垢熱阻a1d1Rg也可忽略。實驗中的傳熱元件材料采用紫銅，導熱系數(shù)為383.8W/m-K，1壁厚為2.5mm，因此換熱管壁的導熱熱阻也可忽略。若換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱人dm阻Rs2也忽略不計，則由式(4—7)得，a2~K (4—8)由此可見，被忽略的傳熱熱阻與冷流體側(cè)對流傳熱熱阻相比越小，此法所得的準確性就越高。2.傳熱準數(shù)式求算對流給熱系數(shù)a2對于流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流對流傳熱時，若符合：Re=1.0X104?1.2X105,Pr=0.7?120，管長與管內(nèi)徑之比l/d'60,則傳熱準數(shù)經(jīng)驗式為，Nu=0.023Re0.8Prn (4一9)式中：Nu—努塞爾數(shù)，Nu=*無因次;Re一雷諾數(shù)，Re=業(yè)，無因次;日Pr-普蘭特數(shù)，Pr=華，無因次；入當流體被加熱時n=0.4，流體被冷卻時n=0.3；以一流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，W/（m2?。0；d一換熱管內(nèi)徑，m；入一流體的導熱系數(shù)，W/（m?。）；u—流體在管內(nèi)流動的平均速度，m/s；p—流體的密度，kg/m3；H—流體的粘度，Pa?s；c—流體的比熱，J/（kg?°C）。當水或空氣在管內(nèi)強制對流被加熱時，可將式（4—9）改寫為，令，序1Xd1.8X^ X220.8m。x㈢°8令，序1Xd1.8X^ X220.8m。x㈢°80.023"4)Xd1.82X入Pr0.42 2(4—10)(4—11)(4—12)(4—13)+虬+R4+d2Xd S1dad則式（4—7）可寫為，y=mX+C(4—14)(4—15)當測定管內(nèi)不同流量下的對流給熱系數(shù)時，由式（4—14）計算所得的C值為一常數(shù)。管內(nèi)徑d2一定時，m也為常數(shù)。因此，實驗時測定不同流量所對應(yīng)的t、t、T、T，由式（4—4）、（4—6）、（4—12）、（4—13）求取一系列X、Y12 12值，再在X?Y圖上作圖或?qū)⑺玫腦、Y值回歸成一直線，該直線的斜率即為m。任一冷流體流量下的給熱系數(shù)以2可用下式求得，0.8XPr0.4d 2—Xm&"2）3.冷流體質(zhì)量流量的測定（1）若用轉(zhuǎn)子流量計測定冷空氣的流量，還須用下式換算得到實際的流量，=—=—=■(4—16)V'V'=V(4—17)式中：V'一實際被測流體的體積流量，m3/s；"'一實際被測流體的密度，kg/m3；可取七均=2匕+七)下對應(yīng)的被測流體的密度，具體可見冷流體物性與溫度的關(guān)系式；V一標定用流體的體積流量，m3/s；p一標定用流體的密度，kg/m3；對水p=1000kg/m3；對空氣p=1.205kg/m3；p廠轉(zhuǎn)子材料密度，kg/m3。(4—18)(2)若用孔板流量計測冷流體的流量，則，m2=pV (4—19)式中，V為冷流體進口處流量計讀數(shù)，p為冷流體進口溫度下對應(yīng)的密度。4.冷流體物性與溫度的關(guān)系式在0?100°C之間，冷流體的物性與溫度的關(guān)系有如下擬合公式。(1)空氣的密度與溫度的關(guān)系式：p=10-512-4.5X10-31+1.2916(2)空氣的比熱與溫度的關(guān)系式：60C以下C=1005J/(kg?°C),70C以上C=1009J/(kg?C)。(3)空氣的導熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式：人=-2X10-812+8X10-51+0.0244(4)空氣的黏度與溫度的關(guān)系式：R=(-2X10-612+5X10-31+1.7169)x10-5

三、實驗裝置與流程實驗裝置流程套管換熱器列管渙恐器圖一空氣-水蒸氣換熱綜合實驗流程圖1一鼓風機出口放空閥；2一孔板流量計；3一套管換熱器冷風進口溫度測量；4一套管換熱器普通管進冷風閥；5一套管換熱器強化管進冷風閥;6一套管換熱器冷風進口側(cè)蒸汽溫度測量;7一套管換熱器不凝氣排空閥；8一套管換熱器冷風出口側(cè)蒸汽溫度測量；9一套管換熱器出口熱風溫度測量；10一列管換熱器出口熱風溫度測量；11-轉(zhuǎn)子流量計；12一列管換熱器逆流冷風進口閥；13—列管換熱器并流冷風放空閥；14—列管換熱器逆流冷風進口溫度測量;15—列管換熱器并流冷風進口閥；16—列管換熱器逆流冷風放空閥；17—列管換熱器并流冷風進口溫度測量；18—蒸汽接口；19—蒸汽進口閥；20—蒸汽進口壓力；21—水汽排空閥；22—冷凝水排空閥。1） 套管換熱器內(nèi)氣汽換熱操作流程來自蒸汽發(fā)生器的水蒸汽進入不銹鋼套管換熱器環(huán)隙，與來自風機的空氣在套管換熱器內(nèi)的普通管或強化管內(nèi)進行熱交換后，不凝氣經(jīng)不凝氣放空閥放空、冷凝水經(jīng)水汽排空閥排入地溝。冷空氣經(jīng)孔板流量計計量流量后，通過閥門切換進入套管換熱器內(nèi)管一普通管或強化管（紫銅管）內(nèi)，熱交換后經(jīng)列管換熱器放空閥（13或16）放空。2） 列管換熱器操作流程來自鼓風機的冷空氣經(jīng)過孔板流量計進入套管換熱內(nèi)管一普通管或強化管或普通和強化同時通過，被套管換熱器內(nèi)的蒸汽預(yù)熱后，作為列管換熱器的熱介質(zhì)進入列管換熱器管程，與殼程的冷風換熱后放空；來自鼓風機的冷空氣經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計后，通過閥門切換選擇與管內(nèi)的熱風并流或逆流進行熱交換后放空。逆流流程為：打開列管換熱器逆流冷風進口閥（如圖一中的12）和列管換熱器逆流冷風放空閥（如圖一中16）；并流流程為：打開列管換熱器并流冷風進口閥（如圖一中15）和列管換熱器并流冷風放空閥（如圖一中13）。設(shè)備與儀表規(guī)格（1） 紫銅管規(guī)格：直徑中19X1.5mm，長度L=1000mm，共兩根（2） 套管換熱器外管不銹鋼管規(guī)格：直徑中100X5mm，長度L=1000mm（4） 鉑熱電阻及無紙記錄儀溫度顯示（5） 全自動蒸汽發(fā)生器及蒸汽壓力表（6） 列管規(guī)格：直徑中12X1mm，長度L=1000mm，共19根（7） 列管外套規(guī)格：直徑中100X5mm，長度L=1000mm（8） 孔板流量計規(guī)格：0-30m3/h（9） 轉(zhuǎn)子流量計規(guī)格：2.5-25m3/h四、實驗步驟與注意事項1.套管換熱器實驗步驟1） 打開控制面板上的總電源開關(guān)，打開儀表電源開關(guān)，使儀表通電預(yù)熱，觀察儀表顯示是否正常。2） 在蒸汽發(fā)生器中灌裝清水：開啟發(fā)生器電源，水泵會自動將水送入鍋爐，灌滿后會轉(zhuǎn)入加熱狀態(tài)。蒸汽壓力達到要求后，系統(tǒng)會自動處于保溫狀態(tài)。3） 打開控制面板上的風機電源開關(guān)，讓風機工作，同時打開普通管冷風進口閥（如圖一中的4）或強化管冷風進口閥（如圖一中的5），讓套管換熱器里充有一定量的空氣。4） 通過不銹鋼軟管，將蒸汽發(fā)生器出氣管和裝置進蒸汽接口（如圖一中的18）連接好。打開水汽排空閥（如圖一中的21），排出上次實驗余留的冷凝水，在整個實驗過程中也保持一定開度并注意開度適中，開度太大會使套管換熱器殼程內(nèi)蒸汽量不足，開度太小會使套管換熱器殼程內(nèi)的蒸汽壓力過大而導致不銹鋼管炸裂。5） 在通水蒸汽前，也應(yīng)將蒸汽發(fā)生器到實驗裝置之間管道中的冷凝水排除，否則夾帶冷凝水的蒸汽會損壞壓力表及壓力變送器。排除冷凝水的具體方法是：關(guān)閉蒸汽進口閥（如圖一中的19），打開冷凝水排空閥（如圖一中的22），利用蒸汽壓力把管道中的冷凝水帶走，當聽到蒸汽通過的響聲時關(guān)閉冷凝水排除閥，方可進行下一步實驗。6） 開始通入蒸汽時，蒸汽進口閥（如圖一中的19）的開度不可太大，務(wù)必讓蒸汽徐徐流入換熱器中，使系統(tǒng)由“冷態(tài)”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”此過程不得少于10分鐘，以防不銹鋼管換熱器因突然受熱、受壓而爆裂。7） 上述準備工作結(jié)束，系統(tǒng)也處于“熱態(tài)”后，調(diào)節(jié)蒸汽進口閥（如圖一中的19）的開度，使蒸汽進口壓力維持在0.04MPa左右，可通過調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器出口閥（蒸汽發(fā)生器出蒸汽口）及蒸汽進口閥開度（如圖一中的19）來實現(xiàn)。8） 通過調(diào)節(jié)普通管進冷風閥（如圖一中的4）或強化管進冷風閥（如圖一中的5）來改變冷空氣流量，在每個流量條件下，均須待熱交換過程穩(wěn)定后方可記錄實驗數(shù)值。一般每個流量下至少應(yīng)使熱交換過程進行5分鐘以上才能達到穩(wěn)定；改變流量，記錄不同流量下的實驗數(shù)值。9） 記錄4?6組實驗數(shù)據(jù)，可結(jié)束實驗。10） 實驗結(jié)束后，先關(guān)閉蒸汽發(fā)生器，關(guān)閉蒸汽進口閥（如圖一中的19），關(guān)閉儀表電源，待系統(tǒng)逐漸冷卻后關(guān)閉風機電源，待冷凝水流盡，關(guān)閉水汽排空閥（如圖一中的21），關(guān)閉總電源。11） 待蒸汽發(fā)生器為常壓后，將鍋爐中的水排盡。2.列管換熱器實驗步驟1） 打開控制面板上的總電源開關(guān)，打開儀表電源開關(guān)，使儀表通電預(yù)熱，觀察儀表顯示是否正常。2） 在蒸汽發(fā)生器中灌裝清水，開啟發(fā)生器電源，水泵會自動將水送入鍋爐，灌滿后會轉(zhuǎn)入加熱狀態(tài)。蒸汽壓力達到要求后，系統(tǒng)會自動處于保溫狀態(tài)。3） 打開控制面板上的風機電源開關(guān)，讓風機工作，同時打開普通管進冷風閥（如圖一中的4）或強化管進冷風閥（如圖一中的5），讓套管換熱器里充有一定量的空氣。4） 通過不銹鋼軟管，將蒸汽發(fā)生器出氣管和裝置進蒸汽接口（如圖一中的18）連接好。打開水汽排空閥（如圖一中的21），排出上次實驗余留的冷凝水，在整個實驗過程中也保持一定開度并注意開度適中，開度太大會使套管換熱器殼程內(nèi)蒸汽量不足，開度太小會使套管換熱器殼程內(nèi)的蒸汽壓力過大而導致不銹鋼管炸裂。5） 在通水蒸汽前，也應(yīng)將蒸汽發(fā)生器到實驗裝置之間管道中的冷凝水排除，否則夾帶冷凝水的蒸汽會損壞壓力表及壓力變送器。具體排除冷凝水的方法是：關(guān)閉蒸汽進口閥門（如圖一中的19），打開冷凝水排空閥（如圖一中的22），利用蒸汽壓力把管道中的冷凝水帶走，當聽到蒸汽通過的響聲時關(guān)閉冷凝水排除閥，方可進行下一步實驗。6） 開始通入蒸汽時，蒸汽進口閥（如圖一中的19）的開度不可太大，務(wù)必讓蒸汽徐徐流入換熱器中，使系統(tǒng)由“冷態(tài)”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”不得少于10分鐘，防止不銹鋼管換熱器因突然受熱、受壓而爆裂。7） 上述準備工作結(jié)束，系統(tǒng)也處于“熱態(tài)”后，調(diào)節(jié)蒸汽進口閥（如圖一中的19）的開度，使蒸汽進口壓力維持在0.04MPa左右并恒定，可通過調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器出口閥（蒸汽發(fā)生器出蒸汽口）及蒸汽進口閥開度（如圖一中的19）來實現(xiàn)。8） 通過調(diào)節(jié)普通管冷風進口閥（如圖一中的4）或強化管冷風進口閥（如圖一中的5）開度來改變空氣流量?？諝饨?jīng)套管換熱器加熱后要求出口溫度穩(wěn)定在90°C左右并保持恒定。加熱后的空氣作為列管換熱器的熱介質(zhì)。9） 當列管換熱器熱風進出口溫度相差不大時，結(jié)束設(shè)備預(yù)熱。打開列管換熱器并流冷風進口閥（如圖一中的15）和列管換熱器并流冷風放空閥（如圖一中的13）,保持冷風并流管路暢通。通過調(diào)節(jié)列管換熱器并流冷風進口閥（如圖一中的15）的開度，保持冷風流量到一定值，待列管換熱器進出口溫度穩(wěn)定5min左右后，記錄冷熱流體進出列管換熱器的溫度、流量等實驗數(shù)據(jù)。10） 同樣，打開列管換熱器逆流冷風進口閥（如圖一中的12）和列管換熱器逆流冷風放空閥（如圖一中的16），保持冷風逆流管路暢通。通過調(diào)節(jié)列管換熱器逆流冷風進口閥（如圖一中的12）的開度，保持冷風流量到一定值（與并流流量一致），待列管換熱器進出口溫度穩(wěn)定5min左右后，記錄冷熱流體進出列管換熱器的溫度、流量等實驗數(shù)據(jù)。11） 每種流動方式（逆流和并流）記錄4?6組實驗數(shù)據(jù)，結(jié)束實驗。12） 實驗結(jié)束后，先關(guān)閉蒸汽發(fā)生器，關(guān)閉蒸汽進口閥（如圖一中的19），關(guān)閉儀表電源。待系統(tǒng)逐漸冷卻后關(guān)閉風機電源。待冷凝水流