化工傳熱綜合實(shí)驗(yàn)

1、 化工傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置說明書天津大學(xué)化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心20117強(qiáng)化傳熱又被學(xué)術(shù)界稱為第二代傳熱技術(shù)，它能減小初設(shè)計(jì)的傳熱面積，從而減小換熱器的體積和重量，提高現(xiàn)有換熱器換熱能力，減小換熱阻力，降低換熱器動(dòng)力消耗，使換熱器在較低溫差下就可以工作，從而有效地利用能源，節(jié)省資金。強(qiáng)化傳熱的方法有多種，本實(shí)驗(yàn)裝置采用的是在換熱器內(nèi)管插入螺旋線圈的方法來達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。圖-1 螺旋線圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)螺旋線圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖-1所示，線圈由直徑3mm以下的銅絲和鋼絲按一定節(jié)距繞成。在普通套管換熱器內(nèi)將金屬螺旋線圈插入并固定，即構(gòu)成強(qiáng)化傳熱管。靠近管壁區(qū)域，流體一方面受到螺旋線圈的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，一方面還周期性地

2、受到線圈螺旋金屬絲的擾動(dòng)，使湍流程度增大，減小層流內(nèi)層厚度，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。由于繞制線圈的金屬絲直徑很細(xì)，流體旋流強(qiáng)度較弱，所以流動(dòng)阻力小，有利于節(jié)省能源。螺旋線圈以線圈節(jié)距H與管內(nèi)徑d的比值為技術(shù)參數(shù)，另外，管長與管徑之比（管徑比）是影響傳熱效果和阻力系數(shù)的重要因素。強(qiáng)化傳熱的機(jī)理較為復(fù)雜，經(jīng)過多年實(shí)驗(yàn)研究，人們總結(jié)出了的經(jīng)驗(yàn)公式，其中B和m值的大小因螺旋絲尺寸不同而變化。按照實(shí)驗(yàn)方法操作，確定不同流量下Rei與Nu的數(shù)值，再通過線性回歸最終確定B和m的數(shù)值。單純研究強(qiáng)化手段的強(qiáng)化效果（不考慮阻力的影響），可以用強(qiáng)化比的概念作為評判指標(biāo)，它的形式是：Nu/Nu0，其中Nu是強(qiáng)化管的努

3、塞爾準(zhǔn)數(shù)，Nu0是普通管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，顯然，強(qiáng)化比Nu/Nu01，且比值越大，強(qiáng)化效果越好。1.傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置流程圖見圖-2，儀表面板示意圖見圖-3。 圖-2 空氣-水蒸氣傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置流程圖 1-液位計(jì)；2-儲(chǔ)水罐；3-排水閥；4-蒸汽發(fā)生器；5-強(qiáng)化套管蒸汽進(jìn)口閥； 6-光滑套管蒸汽進(jìn)口閥；7-光滑套管換熱器；8-內(nèi)插有螺旋線圈的強(qiáng)化套管換熱器；9-光滑套管蒸汽出口；10-強(qiáng)化套管蒸汽出口；11-光滑套管空氣進(jìn)口閥；12-強(qiáng)化套管；空氣進(jìn)口閥；13-孔板流量計(jì)；14-空氣旁路調(diào)節(jié)閥；15-旋渦氣泵2.實(shí)驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)1.傳熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)見附表一 表一：傳熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑di（

4、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Di（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伏操作電流10安 圖-3 實(shí)驗(yàn)儀表面板圖2.空氣流量計(jì)(1)孔板壓力傳感器及數(shù)字顯示儀表組成空氣流量計(jì)。空氣流量由公式（1）計(jì)算： （1）式中：- 20 下的體積流量，m3/h ；-孔板兩端壓差，KPa；-空氣在入口溫度（即流量計(jì)處溫度）下的密度（kg/m3）。 (2)實(shí)驗(yàn)條件下空氣流量V (m3/h)計(jì)算: （2）式中：V-實(shí)驗(yàn)條件（管內(nèi)平均溫度）下空氣流量，m3/h；

5、-換熱器管內(nèi)平均溫度，； t1-換熱器內(nèi)管空氣進(jìn)口（即流量計(jì)處）溫度，。3.溫度測量 (1)空氣進(jìn)入傳熱管測量段前的溫度t1()由電阻溫度計(jì)測量，數(shù)字顯示儀表直接讀出。 (2)空氣流出傳熱管測量段時(shí)的溫度t2 ()由電阻溫度計(jì)測量，數(shù)字顯示儀表直接讀出。(3)管外壁面平均溫度tw()由數(shù)字溫度計(jì)測量,熱電偶由銅-康銅組成。4.蒸汽發(fā)生器： 產(chǎn)生水蒸汽的裝置,內(nèi)裝2.5kw電熱器一支, 加熱電壓控制160伏左右，加熱約15分鐘后水開始沸騰有蒸汽產(chǎn)生。蒸氣發(fā)生器旁邊配有方型水箱，可連續(xù)向蒸汽發(fā)生器內(nèi)注水。每次實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先檢查水箱液位，其液位不得低于水箱高度三分之二時(shí)方可加熱，以免由于缺水使加熱器干燒

6、造成事故。5.氣源(鼓風(fēng)機(jī))又稱旋渦氣泵, 型號XGB-12。6.穩(wěn)定時(shí)間，是指當(dāng)外管內(nèi)充滿飽和蒸汽,并從不凝氣排出口有適量汽(氣)體排出時(shí),調(diào)節(jié)好空氣流量3-5分鐘左右，空氣出口溫度t2()可基本穩(wěn)定不變此段時(shí)間稱為穩(wěn)定時(shí)間。三、實(shí)驗(yàn)方法及步驟： 1.實(shí)驗(yàn)前的檢查準(zhǔn)備工作： (1)向水箱中加水至液位計(jì)上端，保證水箱液位不低于水箱高度三分之二。 (2)檢查空氣旁路調(diào)節(jié)閥是否全開。 (3)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暢通。2. 開始實(shí)驗(yàn)： (1)接通電源總開關(guān)，設(shè)定加熱電壓(不大于200V)，啟動(dòng)電加熱器開始加熱。 (2)當(dāng)有水蒸氣從套管換熱器不凝氣排出口冒出時(shí)開始實(shí)驗(yàn)。

7、請注意整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中要始終保持該出口有水蒸氣冒出。 (3)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，通過旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)空氣流量,保持一定流量，穩(wěn)定3-5分鐘，分別測取空氣的流量、空氣進(jìn)、出口溫度，由溫度巡檢儀測量（提示：下標(biāo)1代表光滑管空氣入口溫度、2代表光滑管空氣出口溫度、3代表粗糙管空氣入口溫度、4代表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測量（提示：上代表光滑管壁面溫度；下代表粗糙管壁面度）。改變空氣流量，穩(wěn)定后繼續(xù)測取相關(guān)項(xiàng)數(shù)據(jù)。如此測定810組數(shù)據(jù)，作好記錄。五、附數(shù)據(jù)處理過程舉例：1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程 ( 以第一套普通管數(shù)據(jù)為例) 孔板流量計(jì)壓差計(jì)讀數(shù) =0.89 KPa， 空氣進(jìn)口溫度35.0

8、傳熱管壁面溫度=100.4 空氣出口溫度73.8 ，(1)傳熱管內(nèi)徑及流通截面積 20.00()0.0200 (); 3.142×(0.0200) 240.0003142（m2).(2)傳熱管有效長度 及傳熱面積 1.20 3.142×0.02×1.200.07536(m2). (3)空氣平均物性常數(shù)的確定空氣定性溫度， = 54.4（）此溫度下空氣物性數(shù)據(jù)如下：平均密度 m 1.16(kg/m3)； 平均比熱 Cpm1005 (JKg·k)；平均導(dǎo)熱系數(shù) m0.0285(·K)； 平均粘度 m0.0000198 ()；（4）空氣流過換熱器內(nèi)管

9、時(shí)平均體積流量和平均流速的計(jì)算孔板流量計(jì)體積流量：=0.65×3.14×0.0142×3600/4×=14.12（m3/h） 傳熱管內(nèi)平均體積流量: =15.78（m3/h）平均流速:=13.95（m/s）（5）壁面和冷流體間的平均溫度差的計(jì)算: = 100.454.4 = 46（）（6）傳熱速率186（W）（7）管內(nèi)傳熱系數(shù) 54（W/m2·）（8）各項(xiàng)準(zhǔn)數(shù):38=15389 其它組數(shù)據(jù)處理方法同上（數(shù)據(jù)處理見表二）。9.關(guān)聯(lián)式中的常數(shù)項(xiàng)確定：以為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)，在對數(shù)坐標(biāo)系上標(biāo)繪關(guān)系，見圖四中直線。由圖線回歸出如下結(jié)果： y = 0.02

10、99x0.7195 即 10.套管換熱器數(shù)據(jù)重復(fù)以上測定步驟，對強(qiáng)化套管換熱器進(jìn)行測定數(shù)據(jù)見表三。 11.強(qiáng)化套管換熱器實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)圖見圖四。表 二 普 通 管 數(shù) 據(jù) 整 理 表裝置編號：11 - 普 通 管No.1234567流量（Kpa）0.891.782.773.704.685.746.73t1(）3535.9037.7040.0042.9046.9052.4t1(Kg/m3)1.161.151.151.141.131.121.10t2(）73.871.871.271.472.273.776.2Tw(）100.4100.3100.3100.3100.3100.2100.3 (）54.4

11、053.8554.4555.7057.5560.3064.30m(kg/m3)1.091.091.091.091.081.071.06m×100(m·K)2.852.852.852.862.882.902.93Cpm(JKg·k)1005100510051005100510051005m×10000()1.981.981.981.981.992.012.02t2-t1（）38.8035.9033.5031.4029.3026.8023.80 (）46.0046.4545.8544.6042.7539.9036.00Vt1(m3/h)14.1220.002

12、5.0129.0132.7736.5139.87Vm (m3/h)15.7822.3127.9532.5436.9741.5345.89um(m/s)13.9519.7324.7228.7732.6936.7240.58Q (W)186244285310327333322（W/m2·）54708292101111119Re15389218212725431512354343921442394Nu38495864707681Nu/(Pr0.4)44576774818894表 三 強(qiáng) 化 管 數(shù) 據(jù) 整 理 表 裝置編號：11 - 強(qiáng)化管No.1234567流量（Kpa）0.661.37

13、2.092.913.634.485.23t1(）36.336.4037.9040.5043.2048.7054.7t1(Kg/m3)1.151.151.151.141.131.111.09t2(）88.986.385.184.684.785.887.3Tw(）100.0100.0100.2100.3100.2100.3100.4 (）62.6061.3561.5062.5563.9567.2571.00m(kg/m3)1.061.071.071.061.061.051.03m×100(m·K)2.922.912.912.922.932.952.98Cpm(JKg·k)1005100510051005100510051005m×10000()2.022.012.012.022.022.042.05t2-t1（）52.6049.9047.2044.1041.5037.1032.60 (）37.4038.6538.7037.7536.2533.0529.40Vt1(m3/h)12.1917.5621.7425.7528.8732.3535.27Vm (m3/h)13.9620.0424.8129