《礦井熱害防治與利用》課程實驗指導書

《礦井熱害防治與利用》課堂實驗指導書課程中文名稱：礦井熱害防治與利用課程英文名稱：PreventionandUtilizationofMineHeatDamage課程編號：021060200適用專業(yè)：新能源科學與工程學時數(shù)：總學時32，其中理論28、實驗4學分數(shù)：2課程類別：專業(yè)課程應開課學期：第五學期實驗一：礦井氣候條件測定實驗類型：操作型實驗學時：2實驗要求：必做一、實驗目的學習空盒氣壓計、干濕球溫度計等測定氣候條件常用儀表的原理、構造，并掌握其使用方法；掌握空氣密度和卡他度的測算方法。二、實驗內容空氣溫度、濕度測定；空氣密度測定；卡他度測定。三、儀器設備1.空盒氣壓計空盒氣壓計（圖1）是由一個波紋形金屬真空盒和一套杠桿傳動機構組成，（真空合內實際還有50~60mmHg的壓力）。大氣壓變化時，真空盒面變形，變形值經杠桿傳動機構放大，傳動到盒面使指針發(fā)生偏轉，使用前需要用固定水銀氣壓計來校正，校正時用小螺絲刀微微調節(jié)盒側面調節(jié)孔內的螺釘，使其指針指示值與水銀氣壓計一致。（a）外形（b）結構示意圖圖1空盒氣壓計1-金屬盒；2-彈簧；3-傳遞機構；4-指針；5-刻度盤；6-鏈條；7-彈簧絲；8-固定支點2.干濕球溫度計礦井空氣的濕度一般用相對濕度來表示，測定相對濕度常用手搖濕度計和風扇式濕度計兩種，它們的測定原理一樣，濕度計是由兩支溫度計組成。一支為干溫度計，一支為濕溫度計（在溫度計的水銀球面上包裹濕紗布）。用手搖濕度計測定時，手握搖把以每分鐘約150轉的速度旋轉1~2分鐘后，立即讀取兩支溫度計的讀數(shù)（先讀濕度計度數(shù)）。濕球因其紗布上的水份蒸發(fā)吸熱，它的示數(shù)值偏低，溫度越低，蒸發(fā)吸熱越多，干濕溫度計數(shù)值差別越大。根據(jù)干溫度計（或濕溫度計）讀值（t℃）及干濕溫度計差值（△t℃）查表即可計算出空氣的相對濕度（Φ）。3.卡他溫度計氣候條件是空氣的溫度、濕度和風速三者的綜合結果，氣候條件的優(yōu)劣不能單從某個方面去衡量，必須測出其綜合結果，測定氣候條件一般采用卡他溫度計?？ㄋ嬍且环N模似人體表面在空氣溫度、濕度及風速綜合作用下散熱情況的儀器。它的下端為長圓形貯液球，長約40mm，直徑為16mm，表面積為22.6cm2，內貯有色酒精，中部刻有38℃和35℃兩個刻度，其平均值為36.5℃，恰似人體溫度。其上端也有長園形的空間，以便在測定時容納上升的酒精，卡他計全長為200mm?？ㄋ嫹譃楦煽ㄋ嫼蜐窨ㄋ媰煞N，前者只測出對流和輻射下的散熱效果，后者是在卡他計的貯液球上包裹上濕紗布，能測出對流，輻射和蒸發(fā)的綜合散熱效果。四、實驗原理、方法、手段和步驟1.空盒氣壓計測定時，在測定地點將其水平放置，并用手輕輕敲擊合面數(shù)次，消除指針的蠕動現(xiàn)象，待20分鐘左右可讀數(shù)，讀數(shù)值還需根據(jù)儀器所附檢定證進行刻度、溫度和補充校正?？蘸袣鈮河嬍且环N攜帶式氣壓計，一般用于井上下非固定地點測大氣壓。2.干濕球溫度計用風扇式濕度計測定時，用專用鑰匙將小風扇的發(fā)條上緊，風扇轉動，使空氣以1.7~3.0m/s的流速經過干濕溫度計的水銀球面周圍，待1~2分鐘，兩支溫度計示數(shù)穩(wěn)定后即可讀值計算。3.卡他計測定時，將干卡他計先放在60~80℃的熱水里使酒精上升至儀器的上部空間1/3處左右，取出抹干，將儀器置于測定地點用秒表記錄酒精面從38℃下降到35℃所需要的時間t，可用下式計算卡他度：式中Kd—干卡他度，W/m2；F—卡他常數(shù)，卡他計上標有；t—酒精面從38℃下降到35℃所需要的時間，s。如果測定對流、輻射和蒸發(fā)三者的綜合散熱效果，可采用濕卡他計測量，用紗布將干卡他計的貯液球包起來，按上述方法測試和計算。五、實驗結果處理略。六、實驗注意事項輕拿輕放，避免打碎玻璃制儀器；空盒氣壓計指針轉動比較遲緩，讀數(shù)之前，用手指輕擊幾下儀器，待指針穩(wěn)定后再讀取讀數(shù)；用濕度計測定空氣的相對濕度時，讀數(shù)時應首先讀濕溫度計的示值，然后再讀干溫度計的示值。使用手搖濕度時應注意搖把螺絲的松動，防止搖動脫落損壞。卡他計的酒精切勿充滿上部的空間（只充至上部空間1/3），防止內部壓力過大將貯液球爆裂。七、預習與思考題礦井氣候條件對人體舒適度的影響；為什么說卡他計是檢查溫度、濕度及風速綜合作用的一種儀器？實驗二：綜合傳熱實驗實驗類型：演示型實驗學時：2實驗要求：必做一、實驗目的掌握傳熱系數(shù)、傳熱膜系數(shù)的測定方法，加深對其概念和影響因素的理解；對比不同類型換熱器的優(yōu)缺點，了解工程上強化傳熱的措施。二、實驗內容測定光滑直圓管套管式換熱器管內外傳熱膜系數(shù)和總傳熱系數(shù)；對比同一光滑直管，普通型和加強型管內外傳熱膜系數(shù)和總傳熱系數(shù)；對比等傳熱面積下間壁式套管、加強型纏繞列管和板式換熱器的總傳熱系數(shù)，分析各自優(yōu)缺點。三、儀器設備綜合傳熱實驗裝置，如圖1所示。圖1綜合傳熱實驗裝置四、實驗原理、方法、手段和步驟（一）實驗原理1.空氣傳熱膜系數(shù)因為空氣傳熱膜系數(shù)1遠小于蒸汽傳熱膜系數(shù)2，所以傳熱管內的對流傳熱系數(shù)1約等于冷熱流體間的總傳熱系數(shù)K。則有：（1）傳熱速率方程式中A—傳熱面積（內管內表面積），m2；Δtm—管內外流體的平均溫差，℃。其中，Δt1=T-t1，Δt2=T-t2T—蒸汽側的溫度，可近似用傳熱管的外壁面平均溫度TW表示，TW=1.2705+23.518×EE—熱電偶測得的熱電勢，mV。（2）傳熱量Q可由熱平衡方程求得：式中w—空氣質量流量，kg/h；V—空氣體積流量，m3/h；t1,t2—空氣進出口溫度，℃。（3）實驗條件下的空氣流量V按下式計算：式中Vt0—20℃下的體積流量；—空氣進出口平均溫度，℃。2.強化傳熱機理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圖2圖2強化管內部螺旋線內部結構螺旋線圈的結構圖如圖2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的比值以及管壁粗糙度（2d/h）為主要技術參數(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Nu=BRem的經驗公式，其中B和m的值因螺旋絲尺寸不同而不同。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：Nu/Nu0，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Nu/Nu0＞1，而且它的值越大，強化效果越好。（二）實驗方法和操作步驟通過蒸汽發(fā)生器加水口，將蒸汽發(fā)生器加水至3/4高度。打開加熱器，水沸騰汽化為蒸汽后，通過閥門切換，分別進入套管換熱器殼程、纏繞列管換熱器殼程和板式換熱器，與換熱器管程內冷風進行強制對流交換。在每個換熱器底部，設有蒸汽冷凝出口，尾氣去往尾氣冷凝器，冷凝后液體進入蒸汽發(fā)生器，實現(xiàn)再利用。通過觸摸屏設定冷風流量，冷風由渦輪氣泵將空氣增壓后，經文丘里流量計計量；通過閥門切換，進入換熱器，與熱流體進行間壁式換熱。五、實驗結果處理略。六、實驗注意事項實驗過程中，請勿