实验四-传热综合计算机数据采集及过程控制实验.doc

4.4传热综合计算机数据采集和过程控制实验

一、实验目的
⒈ 通过对空气—水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。
⒉ 应用线性回归分析方法，确定圆管内强制湍流对流传热关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。
⒊ 通过对管程内部插有螺旋线圈的空气—水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式Nu=BRem中常数B、m的值和强化比Nu/Nu0，了解强化传热的基本理论和基本方式。
4．了解热电偶测温技术以及传热过程计算机数据采集和过程控制技术。

二、 实验内容与要求

实验4.3-1
实验4.3-2

实验内容与要求
① 测定8~10个不同流速下简单套管换热器的对流传热系数。
② 对的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。
③ 测定8~10个不同流速下简单套管换热器的管内压降。

① 测定8~10个不同流速下强化套管换热器的对流传热系数。
② 对的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=BRem中常数B、m的值。
③ 测定8~10个不同流速下强化套管换热器的管内压降。并在同一坐标系下绘制普通管~Nu与强化管~
Nu的关系曲线。比较实验结果。
④ 同一流量下,按实验3-1所得准数关联式求得Nu0,计算传热强化比Nu/Nu0。
三、实验原理
1 普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定
⒈ 对流传热系数的测定
对流传热系数可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。因为<< ,所以传热管内的对流传热系数 热冷流体间的总传热系数 （W/m2·℃）,即
（4-13）
式中：—管内流体对流传热系数，W/(m2·℃)；
Qi—管内传热速率，W；
Si—管内换热面积，m2；
—对数平均温差，℃。
对数平均温差由下式确定：
（4-14）
式中：ti1，ti2—冷流体的入口、出口温度，℃；
tw—壁面平均温度，℃；
因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用tw 来表示，由于管外使用蒸汽，近似等于热流体的平均温度。
管内换热面积：
（4-15）
式中：di—内管管内径，m；
Li—传热管测量段的实际长度，m。
由热量衡算式：
（4-16）
其中质量流量由下式求得：
（4-17）
式中：Vi—冷流体在套管内的平均体积流量，m3 / h；
cpi—冷流体的定压比热，kJ / (kg·℃)；
ρi—冷流体的密度，kg /m3。
cpi和ρi可根据定性温度tm查得，为冷流体进出口平均温度。ti1，ti2， tw， Vi可采取一定的测量手段得到。
⒉ 对流传热系数准数关联式的实验确定
流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为
. （4-18）
其中： ， ，
物性数据λi、cpi、ρi、μi可根据定性温度tm查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pri变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：
（4-19）
这样通过实验确定不同流量下的Rei与，然后用线性回归方法确定A和m的值。

2、强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定
强化传热又被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。强化传热的方法有多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热的。
图4-8 螺旋线圈强化管内部结构

螺旋线圈的结构图如图4-8所示，螺旋线圈由直径3mm以下的铜丝和钢丝按一定节距绕成。将金属螺旋线圈插入并固定在管内，即可构成一种强化传热管。在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，一面还周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以使传热强化。由于绕制线圈的金属丝直径很细，流体旋流强度也较弱，所以阻力较小，有利于节省能源。螺旋线圈是以线圈节距H与管内径d的比值以及管壁粗糙度（）为主要技术参数，且长径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。科学家通过实验研究总结了形式为的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。
在本实验中，采用实验3-1中的实验方法确定不同流量下的Rei与，用线性回归方法可确定B和m的值。
单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，它的形式是：，其中Nu是强化管的努塞尔准数，Nu0是普通管的努塞尔准数，显然，强化比＞1，而且它的值越大，强化效果越好。需要说明的是，如果评判强化方式的真正效果和经济效益，则必须考虑阻力因素，阻力系数随着换热系数的增加而增加，从而导致换热性能的降低和能耗的增加，只有强化比较高，且阻力系数较小的强化方式，才是最佳的强化方法。
四、实验装置
⒈ 实验流程图及基本结构参数：
如图4-9所示，实验装置的主体是两根平行的套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。实验的蒸汽发生釜为电加热釜，内有2根2.5kW螺旋形电加热器，用200伏电压加热（可由固态调压器调节）。气源选择XGB-2型旋涡气泵，使用旁路调节阀调节流量。蒸汽空气上升管路，使用三通和球阀分别控制气体进入两个套管换热器。
空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器。管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，由另一端蒸汽出口自然喷出，达到逆流换热的效果。空气经支路控制阀7后，进入蒸汽发生器上升主管路上的热电偶和传热系数分布实验管，可完成热电偶原理实验。
装置结构参数表4-6所示。
⒉ 实验的测量手段
⑴ 空气流量的测量
空气主管路由孔板与差压变送器和二次仪表组成空气流量计，孔板流量计为标准设计，其流量计算式为：
（4-20）
式中：—20℃下空气的体积流量，m3/h；
—孔板流量计两端压差，kPa；
t1—流量计处温度（本实验装置为空气入口温度），℃；
ρt1—温度为t1时的空气密度，kg/m3。

表4-6 实验装置结构参数
实验内管内径di（mm）
20.00
实验内管外径do（mm）
22.0
实验外管内径Di（mm）
50
实验外管外径Do（mm）
57.0
测量段（紫铜内管）长度l（m）
1.0
强化内管内插物
（螺旋线圈）尺寸
丝径h（mm）
1
节距H（mm）
40
加热釜
操作电压
≤200伏

图4-9 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图
1、普通套管换热器； 2、内插有螺旋线圈的强化套管换热器； 3、蒸汽发生器； 4、旋涡气泵；5、旁路调节阀； 6、孔板流量计； 7、风机出口温度（冷流体入口温度）测试点； 8、9空气支路控制阀； 10、11、蒸汽支路控制阀； 12、13、蒸汽放空口；14、蒸汽上升主管路；15、加水口；16、放水口；17、液位计；18、冷凝液回流口

由于被测管段内温度的变化，还需对体积流量进行进一步的校正：
（4-21）
⑵ 温度的测量
实验采用铜-康铜热电偶测温（见图4-10），空气入、出传热管测量段前的温度由电阻温度计测量，可由多路数字显示仪表直接读出。（1-光滑管入口温度、2-光滑管出口温度、3-强化管入口温度、4-强化管出口温度、5-加热釜温度）管外壁面平均温度tw( ℃ )由数字式温度计直接显示读出。（仪表上方的显示值为光滑管壁面平均温度，仪表下方的显示值为强化管壁面平均温度）

图4-10 传热实验中冷流体进出口温度及壁温的测量线路图

五、实验方法及步骤
1.实验前的准备、检查工作：
(1) 向电加热釜加水；
(2) 检查加热水量调解阀是否打开；
(3) 检查空气流量旁路调节阀是否全开；
(4) 检查蒸气管支路各控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管线的畅通；
(5) 接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。
2. 实验操作：
人工实验操作　
(1) 合上电源总开关；
(2) 设定加热电压(不得大于200V),打开加热电源开关,直至有水蒸气冒出,在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气。
(3) 启动风机并用放空阀来调节流量,在一定的流量下稳定5—10分钟后分别测量空气的流量，空气进、出口的温度由巡检显示仪（1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空气出口温度；3-粗糙管空气入口温度；4-粗糙管空气出口温度）,换热器内管壁面的温度由热电偶温度显示仪（上-光滑管壁面温度；下-粗糙管壁面温度）测得。然后,在改变流量稳定后分别测量空气的流量,空气进、出口的温度, 壁面温度后继续实验。
(4) 实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。
计算机数据采集和过程控制:
(1) 启动计算机并按照操作说明进行操作.
(2) 合上电源总开关,
(3)按照计算机提示的要求操作可以得到实验结果。
六、注意事项
⒈ 本实验采用热电偶测温，因其冷端的温度已进行了自动补偿，所以热电偶的冷端无需浸没在冰水混合物中保持恒温。
⒉ 检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内（水位不低于加热釜的三分之二）。特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。
⒊ 必须保证蒸汽上升管线的畅通。即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路控制阀（见图4-9所示）之一必须全开。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。
⒋ 必须保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前，三个空气支路控制阀之一和旁路调节阀（见图4-9所示）必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。
⒌ 调节流量后，应至少稳定5~10分钟后读取实验数据。
⒍ 实验中保持上升蒸汽量的稳定，不应改变加热电压，且保证蒸汽放空口一直有蒸汽放出。
六、报告内容
⒈ 实验4.3-1的原始数据及数据结果表、准数关联式的回归过程、结果与具体的回归方差分析，并以其中一组数据的计算举例。
⒉ 实验4.3-2的原始数据表、数据整理表、准数关联式的回归结果。
⒊ 在同一双对数坐标系中绘制实验3-1、实验3-2的Nu~Re的关系图。
⒋ 在同一坐标系中绘制实验3-1、实验3-2的△P~Nu的关系图。
⒌ 对实验结果进行分析与讨论。
[思考题]
（1）在间壁两侧流体的对流传热系数α相差较大时，壁温接近哪侧温度？欲提高K值，应从哪侧入手？
（2）观察采取强化措施前后壁温的变化情况是否可以得出结论：通过壁温能够监测或判断传热过程是否被强化及强化的程度？试用传热理论加以分析。