化工傳熱綜合實(shí)驗(yàn)

1、化工傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置說明書化學(xué)與生物工程學(xué)院環(huán)境工程實(shí)訓(xùn)2016.11一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康茫?、通過對空氣一水蒸氣簡單套管換熱器得實(shí)驗(yàn)研究，掌握對流傳熱系數(shù)得測 定方法，加深對其概念與影響因素得理解。2、通過對管程內(nèi)部插有螺旋線圈得空氣一水蒸氣強(qiáng)化套管換熱器得實(shí)驗(yàn)研 究，掌握對流傳熱系數(shù)得測定方法，加深對其概念與影響因素得理解。3、學(xué)會(huì)并應(yīng)用線性回歸分析方法，確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARePr0 4中常數(shù)A、m得 值。4、由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)式Nu=ARePr°'4計(jì)算出Nu Nuo,求出強(qiáng)化比Nu/Nuo,加 深理解強(qiáng)化傳熱得基本理論與基本方式。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、測定5-6組不同流速下簡單套管

2、換熱器得對流傳熱系數(shù)。2、測定5-6組不同流速下強(qiáng)化套管換熱器得對流傳熱系數(shù)。3、對得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARePr°'4中常數(shù)A、m得數(shù) 值。4、通過關(guān)聯(lián)式Nu=ARePr°'4計(jì)算出Nu> Nuo,并確定傳熱強(qiáng)化比Nu/Nu。三、實(shí)驗(yàn)原理：1、普通套管換熱器傳熱系數(shù)測定及準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式得確定：(1)對流傳熱系數(shù)得測定：對流傳熱系數(shù)可以卞!據(jù)牛頓冷卻定律，通過實(shí)驗(yàn)來測定。因?yàn)?<< ,所以傳熱 管內(nèi)得對流傳熱系數(shù)K, K(W/m C )為熱冷流體問得總傳熱系數(shù)，且所以 :(1)式中 : 管內(nèi)流體對流傳熱系數(shù),W/(m2? )

3、;Q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：一冷流體得入口、出口平均溫度,C; t w一壁面平均溫度，C;因?yàn)閾Q熱器內(nèi)管為紫銅管, 其導(dǎo)熱系數(shù)很大, 且管壁很薄, 故認(rèn)為內(nèi)壁溫度、外壁溫度與壁面平均溫度近似相等，用t w來表示，由于管外使用蒸汽，所以t w近似 等于熱流體得平均溫度。管內(nèi)換熱面積:(3)式中：di 內(nèi)管管內(nèi)徑,m;L i 傳熱管測量段得實(shí)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)得平均體積流量,m3 / h;cpi 冷流體得定壓比熱，kJ / (kg C );P i冷流體得密

4、度，kg /m 3。Cpi與P i可根據(jù)定性溫度tm查得，為冷流體進(jìn)出口平均溫度。ti1,ti2, t w, Vi可采 取一定得測量手段得到。(2) 對流傳熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式得實(shí)驗(yàn)確定:流體在管內(nèi)作強(qiáng)制湍流, 被加熱狀態(tài), 準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式得形式為:、(6)其中 : , ,物性數(shù)據(jù)入i、Cpi、Pi、D可根據(jù)定性溫度tm查得。經(jīng)過計(jì)算可知，對于管內(nèi)被加熱得空氣, 普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pri 變化不大, 可以認(rèn)為就是常數(shù), 則關(guān)聯(lián)式得形式簡化為 :(7)這樣通過實(shí)驗(yàn)確定不同流量下Re與，然后用線性回歸方法確定 A與m得值。2、強(qiáng)化套管換熱器傳熱系數(shù)、準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式及強(qiáng)化比得測定：強(qiáng)化傳熱技術(shù)，可以使初設(shè)計(jì)得傳熱面積減

5、小，從而減小換熱器得體積與重 量，提高了現(xiàn)有換熱器得換熱能力，達(dá)到強(qiáng)化傳熱得目得。同時(shí)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(dòng)力消耗，更合理有效地利用能源。 強(qiáng)化傳熱得方法有多種，本實(shí)驗(yàn)裝置采用了多種強(qiáng)化方式，具體見下表。其中螺旋線圈得結(jié)構(gòu)圖如圖一所示，螺旋線圈由直徑3mmz下得銅絲與鋼絲按一定節(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(qiáng)化傳熱管。在近壁區(qū)域，流體一 面由于螺旋線圈得作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，一面還周 期性地受到線圈得螺旋金屬絲得擾動(dòng)，因而可 以使傳熱強(qiáng)化。由于繞制線圈得金屬絲直徑很圖一螺旋線圈強(qiáng)化管內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)，流體旋流強(qiáng)度也較弱，所以阻力較小，有利于節(jié)

6、省能源。螺旋線圈就是以線圈節(jié)距H與管內(nèi)徑d得比值以及管壁粗糙度（）為主要技術(shù)參數(shù)，且長徑比就是影響傳熱效果與 阻力系數(shù)得重要因素?？茖W(xué)家通過實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)了形式為得經(jīng)驗(yàn)公式，其中A與m得值因強(qiáng)化方式 不同而不同。在本實(shí)驗(yàn)中，確定不同流量下得Re與，用線性回歸方法可確定B與 m得值。單純研究強(qiáng)化手段得強(qiáng)化效果（不考慮阻力得影響），可以用強(qiáng)化比得概念 作為評判準(zhǔn)則，它得形式就是：，其中Nu就是強(qiáng)化管得努塞爾準(zhǔn)數(shù)，Nu就是普通管 得努塞爾準(zhǔn)數(shù)，顯然，強(qiáng)化比 1,而且它得值越大，強(qiáng)化效果越好。需要說明得就 是,如果評判強(qiáng)化方式得真正效果與經(jīng)濟(jì)效益，則必須考慮阻力因素，阻力系數(shù)隨 著換熱系數(shù)得增加而增加，

7、從而導(dǎo)致?lián)Q熱性能得降低與能耗得增加，只有強(qiáng)化比 較高，且阻力系數(shù)較小得強(qiáng)化方式，才就是最佳得強(qiáng)化方法。四、實(shí)驗(yàn)裝置得基本情況：1、實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖（如圖二所示）：圖二傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置流程圖1-光滑管空氣進(jìn)口閥；2-光滑管空氣進(jìn)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(qiáng)化管空氣進(jìn)口閥；7-強(qiáng)化管空氣進(jìn)口溫度；8- 強(qiáng)化管蒸汽出口 ；9-內(nèi)插有螺旋線圈得強(qiáng)化套管換熱器；10-光滑套管蒸汽進(jìn)口 閥;12-孔板流量計(jì);13-強(qiáng)化套管蒸汽進(jìn)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(jì);18-蒸汽發(fā)生器;19-排水閥;20-散熱器；其中

8、2,5,7,11,12 為測試點(diǎn)2、實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)(如表一所示)：表一實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑di (mm)20、00實(shí)驗(yàn)內(nèi)管外徑do(mm)22、0實(shí)驗(yàn)外管內(nèi)徑 D(mm)50實(shí)驗(yàn)外管外徑Do(mm)57、0測量段(紫銅內(nèi)管)長度L(m)1、20強(qiáng)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(jì)孔流系數(shù)及孔徑孰二0、65、do=0、017 m旋渦氣象XG712 型加熱釜操作電壓<200 伏操作電流w 10安3、實(shí)驗(yàn)裝置面板圖（如圖三所示）:廠把滑管空氣人口事度x?）卜光湎浮空氣出口百度（X）卜強(qiáng)化管空氣入r濕皮（七）4強(qiáng)化管空氣出n溫度（r） ! 1上

9、一光滑筒壁面盤摟（Vl卜,強(qiáng)化營軍而的也（也）孔板廄£漉）4 1 nrm3 3泡.9加私電任O O O O國電源風(fēng)機(jī)加熱圖三傳熱過程綜合實(shí)驗(yàn)面板圖五、實(shí)驗(yàn)操作步驟：1、實(shí)驗(yàn)前得檢查準(zhǔn)備向水箱16中加水至液位計(jì)上端。檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥14就是否全開（應(yīng)全開）。檢查蒸氣管支路各控制閥10、13與空氣支路控制閥1、6就是否已打開（應(yīng) 保證有一路就是開啟狀態(tài)），保證蒸汽與空氣管線暢通。合上電源總閘, 設(shè)定加熱電壓, 啟動(dòng)電加熱器開關(guān), 開始加熱。加熱系統(tǒng)處 于完好狀態(tài)。2、開始實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)過程中始終保持

10、換熱器蒸汽放空口3 或 8 處有水蒸氣冒出 , 經(jīng)過風(fēng)冷散熱器20 將水蒸氣冷凝下來, 并流回到水箱17 中循環(huán)使用。加熱電壓得設(shè)定: 按一下加熱電壓控制儀表得鍵, 在儀表得SV 顯示窗中右下方出現(xiàn)一閃爍得小點(diǎn), 每按一次鍵, 小點(diǎn)便向左移動(dòng)一位, 小點(diǎn)在哪個(gè)位子上就可以利用、鍵調(diào)節(jié)相應(yīng)位子得數(shù)值, 調(diào)好后在不按動(dòng)儀表上任何按鍵得情況下30秒后儀表自動(dòng)確認(rèn), 并按所設(shè)定得數(shù)值應(yīng)用。合上面板上風(fēng)機(jī)開關(guān)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)并用旁路調(diào)節(jié)閥14 來調(diào)節(jié)空氣得流量, 在一定得流量下穩(wěn)定3 5 分鐘后分別測量空氣得流量, 空氣進(jìn)、出口得溫度, 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-

11、 粗糙管空氣入口溫度 ;4- 粗糙管空氣出口溫度）, 換熱器內(nèi)管壁面得溫度由溫度巡檢儀（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)定后分別測量空氣得流量 , 空氣進(jìn) , 出口得溫度, 壁面溫度后繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后, 依次關(guān)閉加熱、風(fēng)機(jī)與總電源。一切復(fù)原。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng):1、 實(shí)驗(yàn)前將加熱器內(nèi)得水要加到指定位置, 防止電熱器干燒損壞電器。特別就是每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后, 進(jìn)行下次實(shí)驗(yàn)之前, 一定檢查水位, 及時(shí)補(bǔ)充。2、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與過程控制實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照計(jì)算機(jī)使用規(guī)程操作計(jì)算機(jī)、采集數(shù)據(jù)與控制過程中要注意觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。3、開始加熱時(shí), 加熱電壓控制在（16

12、0V） 左右為宜。4、 加熱約十分鐘后, 可提前啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī), 保證實(shí)驗(yàn)開始時(shí)空氣入口溫度t 1（ ）比較穩(wěn)定, 可節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間。5、 必須保證蒸汽上升管線得暢通。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(shí), 應(yīng)先開啟需要得支路閥門, 再關(guān)閉另一側(cè)閥門,且開啟與關(guān)閉控制閥門時(shí)動(dòng)作要緩慢, 防止管線驟然截?cái)嗍拐羝麎毫^大而突然噴出。6、保證空氣管線暢通, 即在接通風(fēng)機(jī)電源之前, 兩個(gè)空氣支路控制閥之一與旁路調(diào)節(jié)閥必須全開。轉(zhuǎn)換支路時(shí), 應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源然后再開啟或關(guān)閉控制閥。7、注意電源線得相線、零線、地線不能接錯(cuò)。七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理過程舉例:1、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得計(jì)算過

13、程簡介( 以光滑管第一組數(shù)據(jù)為例) ?？装辶髁坑?jì)壓差=0、 9Kpa 壁面溫度Tw =99、 4 。進(jìn)口溫度t 1 =14、 4出口溫度t 2 =63、 5傳熱管內(nèi)徑di (mm及流通斷面積F (m2):di=20、0( mm), =0、0200 ( m);F=兀(d；)/4=3、142X(0、0200)2/4 = 0、0003142( m2)、傳熱管有效長度L( m)及傳熱面積Si(m2): L =1、200( m)s i=TtL di =3、142X1、200X 0、0200= 0、075394(m)、傳熱管測量段上空氣平均物性常數(shù)得確定、先算出測量段上空氣得定性溫度( ) 為簡化計(jì)算,

14、取 t 值為空氣進(jìn)口溫度t 1( )及出口溫度t 2( ) 得平均值:即 =38、 95( )據(jù)此查得：測量段上空氣得平均密度p = 1、23 (Kg/m3);測量段上空氣得平均比熱 Cp= 1005 (J /Kg K);測量段上空氣得平均導(dǎo)熱系數(shù)入=0、0274(W/m ' K);測量段上空氣得平均粘度仙=1、91X();傳熱管測量段上空氣得平均普蘭特準(zhǔn)數(shù)得0、 4 次方為 :Pr0 4=0、86空氣流過測量段上平均體積( m 3/h) 得計(jì)算 :孔板流量計(jì)體積流量:=0、 65*3、 14*0、 0172*3600/4*=13 、 97(m3/h)傳熱管內(nèi)平均體積流量:3 =15、

15、 16(m3/h)平均流速: =13 、 4(m/s)冷熱流體問得平均溫度差 Atm ( C)得計(jì)算：測得tw= 99、4( C)( )其她項(xiàng)計(jì)算: 傳熱速率（W）（W）（W/m 2 C ）傳熱準(zhǔn)數(shù)測量段上空氣得平均流速：（m/s）雷諾準(zhǔn)數(shù)=15571作圖、回歸得到準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中得系數(shù)。重復(fù)步驟（1）-（8）,處理強(qiáng)化管得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。作圖回歸得到準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中得系 數(shù)。表二、實(shí)驗(yàn)裝置1數(shù)據(jù)記錄及整理表（普通管換熱器）No、1234567流量（Kpa）t(C)P t1(Kg/m 3)t2()Tw( C)tm (C)p tm(kg/m3)入 tmx 100Cp tmn tmx 100000At(C)At

16、m(C)Vt1 (m3/h)V(m3/h)u(m/s)qc(W)ai(W/m2 C)ReNuNu/(Pr0 4)表三、實(shí)驗(yàn)裝置1數(shù)據(jù)記錄及整理表（強(qiáng)化管換熱器）No、1234567流量（Kpa）ti(C)P ti(Kg/m3)t2()Tw( C)tm (C)p tm(kg/m3)入 tmx 100Cp tmn tmx 100000At(C)Atm(C)Vti(m3/h)V(m3/h)u(m/s)qc(W)ai(W/m2 C)ReNuNu/(Pr0 4)圖四傳熱實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)圖表四、實(shí)驗(yàn)裝置2數(shù)據(jù)記錄及整理表（普通管換熱器）No、1234567流量（Kpa）t1(C)P t1 (Kg/m 3)t2(C)Tw( C)tm (C)p tm(kg/m3)入 tmx 100Cp tmn tmx 100000At(C)Atm(C)Vti(m3/h)V(m3/h)u(m/s)qc(W)ai(W/m2C)