化工傳熱實(shí)驗(yàn)裝置使用說明書

一、概述
熱力學(xué)第二定律指出：無論是氣體、液體還是固體，都存在著溫度差異，就必然導(dǎo)致熱量自發(fā)地從高溫向低溫傳遞，這一過程被稱為熱量傳遞過程，簡(jiǎn)稱傳熱。用于冷熱流體進(jìn)行熱量交換的設(shè)備稱為換熱器。
傳熱在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，在動(dòng)力、化工、制冷、建筑、機(jī)械制造、新能源和宇航等工程中，都占有十分重要的地位。因此，了解傳熱過程的基本原理及傳熱設(shè)備（即換熱器）的結(jié)構(gòu)性能具有極其重要的意義。
換熱器是由各種不同的傳熱元件組成的換熱設(shè)備，冷熱流體借助換熱器中的傳熱元件進(jìn)行熱量交換而完成加熱或冷卻任務(wù)。換熱器的傳熱系數(shù)是衡量換熱器的換熱效果好壞的標(biāo)準(zhǔn)，不同傳熱元件組成的換熱器的性能存在著較大的差異。確定換熱器換熱性能（主要是指?jìng)鳠嵯禂?shù)）的有效途徑是通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。
二、強(qiáng)化套管換熱器實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介
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，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(dòng)力消耗，更有效地利用能源和資金。強(qiáng)化傳熱的方法有多種，本實(shí)驗(yàn)裝置是采用在換熱器內(nèi)管插入螺旋線圈的方法來強(qiáng)化傳熱的。
螺旋線圈的結(jié)構(gòu)圖如圖1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(qiáng)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(dòng)，因而可以使傳熱強(qiáng)化。由于繞制線圈的金屬絲直徑很細(xì)，流體旋流強(qiáng)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(nèi)徑d的比值技術(shù)參數(shù)，且長(zhǎng)徑比是影響傳熱效果和阻力系數(shù)的重要因素?？茖W(xué)家通過實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)了形式為的經(jīng)驗(yàn)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(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(píng)判準(zhǔn)則，它的形式是：，其中Nu是強(qiáng)化管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，Nu0是普通管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，顯然，強(qiáng)化比＞1，而且它的值越大，強(qiáng)化效果越好。

圖1 螺旋線圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)
三、設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)：
1、傳熱管參數(shù): 
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）			20.0
實(shí)驗(yàn)內(nèi)管外徑do（mm）			22.0
實(shí)驗(yàn)外管內(nèi)徑Di（mm）			53.0
實(shí)驗(yàn)外管外徑Do（mm）			57.0
測(cè)量段（紫銅內(nèi)管）長(zhǎng)度l（m）			1.00
強(qiáng)化內(nèi)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

2、蒸發(fā)器為不銹鋼制成，最大加熱功率為2KW。其上裝有液位計(jì)，正常液位要維持在2/3處，最多加至液位計(jì)所能指示的范圍最高處。必要時(shí)加水，以免電熱管干燒（加水時(shí)需注意水位超過液位計(jì)指示時(shí)仍往蒸發(fā)器內(nèi)加水，液位計(jì)將無法顯示液位）。其表面也包有保溫層。
3、風(fēng)機(jī)為旋渦風(fēng)機(jī)，輸入功率為550W轉(zhuǎn)速為  2800/min,風(fēng)量為95m3/h。
4、溫度儀表：本裝置上配置一塊AI-518溫度控制儀表，一塊AI-702M溫度巡檢儀和一塊AI-704M溫度巡檢儀，AI-518溫度控制儀表用于控制蒸發(fā)器溫度，一塊AI-702M和一塊AI-704M溫度顯示儀可以直接顯示所對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的溫度。
6、開關(guān)、指示燈  按下開關(guān)指示燈亮表明對(duì)應(yīng)的工作正在運(yùn)行，關(guān)閉時(shí)則按開關(guān)上箭頭的方向旋轉(zhuǎn)即可。
四、實(shí)驗(yàn)流程圖

 
五、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br /> 熟悉傳熱實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及流程設(shè)計(jì)。
了解換熱器的基本構(gòu)造與操作原理。
掌握熱量衡算與傳熱系數(shù)K及對(duì)流傳熱膜系數(shù)α的測(cè)定方法。
了解強(qiáng)化傳熱的途徑及措施。
掌握熱電偶的測(cè)溫原理及電位差計(jì)的使用。
六、實(shí)驗(yàn)原理
傳熱實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室條件下的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，用儀表考察冷熱流體在套管式換熱器中的傳熱過程，其理論基礎(chǔ)是傳熱基本方程牛頓冷卻定律及熱量平衡關(guān)系。
由傳熱基本方程得：
式中    K——傳熱系數(shù)            （）
        A——換熱器的傳熱面積     （）
        ——平均溫度差           （K）
        Q——傳熱量                （W）
由上式可得，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定Q、A、即可求得K值。
由傳熱系數(shù)K亦可確定換熱面內(nèi)外兩側(cè)的對(duì)流傳熱膜系數(shù)。
對(duì)薄壁圓管（小于2），傳熱系數(shù)K與傳熱膜系數(shù)之間有如下關(guān)系：

式中    K——傳熱系數(shù)                             （）
       ——加熱管外壁面的對(duì)流傳熱膜系數(shù)         （）
       —— 加熱管內(nèi)壁面的對(duì)流傳熱膜系數(shù)        （）
δ——加熱管壁厚                           （m）
λ——加熱管的導(dǎo)熱系數(shù)                      (w/m K)
——加熱管外壁面的污垢熱阻               （）
——加熱管內(nèi)壁面的污垢熱阻               （）
實(shí)驗(yàn)室條件下考慮忽略污垢熱阻，則
               
若有 》，則有K≈；
實(shí)驗(yàn)中冷流體采用空氣，熱流體采用水蒸汽。通過測(cè)取冷熱流體在換熱器進(jìn)出口的流量及溫度變化來進(jìn)行總傳熱系數(shù)K對(duì)流傳熱膜系數(shù)與相關(guān)準(zhǔn)數(shù)關(guān)系的測(cè)定。
 
七、實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)
1.實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備,檢查工作.
(1) 向電加熱釜加水至液位計(jì)2/3處。
(2) 檢查普通管支路各控制閥是否已打開。保證蒸汽和空氣管線的暢通。
(3) 接通電源總閘，設(shè)定加熱電壓，啟動(dòng)電加熱器開關(guān)，開始加熱。
2. 實(shí)驗(yàn)開始.
(1)一段時(shí)間后水沸騰,水蒸汽自行充入普通套管換熱器外管，觀察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，標(biāo)志著實(shí)驗(yàn)可以開始。
(2) 約加熱十分鐘后,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(℃)比較穩(wěn)定。
(3) 調(diào)節(jié)空氣流量旁路閥的開度,使壓差計(jì)的讀數(shù)為所需的空氣流量值(當(dāng)旁路閥全開時(shí),通過傳熱管的空氣流量為所需的最小值,全關(guān)時(shí)為最大值)。
(4)穩(wěn)定5-8分鐘左右可轉(zhuǎn)動(dòng)各儀表選擇開關(guān)讀取各數(shù)值。(注意：第1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)必須穩(wěn)定足夠的時(shí)間)
(5) 重復(fù)(3)與(4)共做3-5個(gè)數(shù)值。
(6) 最小,最大流量值一定要做。
(7) 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,加熱電壓可以保持(調(diào)節(jié))不變,也可隨空氣流量的變化作適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。
3．轉(zhuǎn)換支路，重復(fù)步驟2的內(nèi)容，進(jìn)行強(qiáng)化套管換熱器的實(shí)驗(yàn)。測(cè)定3-5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
4． 實(shí)驗(yàn)結(jié)束.
(1)關(guān)閉加熱器開關(guān)。
(2) 過10分鐘后關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī),并將旁路閥全開。
(3) 切段總電源
(4) 若需幾天后再做實(shí)驗(yàn),則應(yīng)將電加熱釜中的水放干凈。
注意事項(xiàng)：
1．熱球風(fēng)速儀在測(cè)量時(shí)才抽出探頭，停止實(shí)驗(yàn)時(shí)則應(yīng)將探頭關(guān)好，一定要注意不能損壞探頭內(nèi)的鉑絲等重要測(cè)量元件。
2．檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常范圍內(nèi)。特別是每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行下一實(shí)驗(yàn)之前，如果發(fā)現(xiàn)水位過低，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)給水量。
3．必須保證蒸汽上升管線的暢通。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。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先開啟需要的支路閥，再關(guān)閉另一側(cè)，且開啟和關(guān)閉控制閥必須緩慢，防止管線截?cái)嗷蛘羝麎毫^大突然噴出。
4．必須保證空氣管線的暢通。即在接通風(fēng)機(jī)電源之前，兩個(gè)空氣支路控制閥之一和旁路調(diào)節(jié)閥必須全開。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，然后開啟和關(guān)閉控制閥。
5. 實(shí)驗(yàn)操作時(shí)應(yīng)注意安全，防止觸電和燙傷。
6.測(cè)量時(shí)應(yīng)逐步加大氣相流量，記錄數(shù)據(jù)。否則實(shí)驗(yàn)數(shù)值誤差較大。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理及要求
 

序號(hào)	流量(m3/h)	氣體入口T(℃)	氣體出口T(℃)	蒸汽入口T(℃)	蒸汽出口T(℃)	(℃)