化工傳熱實驗裝置使用說明書

一、概述
熱力學第二定律指出：無論是氣體、液體還是固體，都存在著溫度差異，就必然導致熱量自發地從高溫向低溫傳遞，這一過程被稱為熱量傳遞過程，簡稱傳熱。用于冷熱流體進行熱量交換的設備稱為換熱器。
傳熱在工程技術領域中的應用十分廣泛，在動力、化工、制冷、建筑、機械制造、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備（即換熱器）的結構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備，冷熱流體借助換熱器中的傳熱元件進行熱量交換而完成加熱或冷卻任務。換熱器的傳熱系數是衡量換熱器的換熱效果好壞的標準，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（主要是指傳熱系數）的有效途徑是通過實驗進行測定。
二、強化套管換熱器實驗簡介
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圈的方法來強化傳熱的。
螺旋線圈的結構圖如圖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。在近壁區域，流體一面由于螺旋線圈的作用而發生旋轉，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，有利于節省能源。螺旋線圈是以線圈節距H與管內徑d的比值技術參數，且長徑比是影響傳熱效果和阻力系數的重要因素。科學家通過實驗研究總結了形式為的經驗公式，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：，其中Nu是強化管的努塞爾準數，Nu0是普通管的努塞爾準數，顯然，強化比＞1，而且它的值越大，強化效果越好。

圖1 螺旋線圈內部結構
三、設備主要技術參數：
1、傳熱管參數: 
實驗裝置結構參數

實驗內管內徑di（mm）			20.0
實驗內管外徑do（mm）			22.0
實驗外管內徑Di（mm）			53.0
實驗外管外徑Do（mm）			57.0
測量段（紫銅內管）長度l（m）			1.00
強化內管內插物 （螺旋線圈）尺寸		絲徑h（mm）	1
		節距H（mm）	40
加熱釜	操作電壓		≤200伏
	操作電流		≤10安

2、蒸發器為不銹鋼制成，最大加熱功率為2KW。其上裝有液位計，正常液位要維持在2/3處，最多加至液位計所能指示的范圍最高處。必要時加水，以免電熱管干燒（加水時需注意水位超過液位計指示時仍往蒸發器內加水，液位計將無法顯示液位）。其表面也包有保溫層。
3、風機為旋渦風機，輸入功率為550W轉速為  2800/min,風量為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應各點的溫度。
6、開關、指示燈  按下開關指示燈亮表明對應的工作正在運行，關閉時則按開關上箭頭的方向旋轉即可。
四、實驗流程圖

 
五、實驗目的
熟悉傳熱實驗的實驗方案設計及流程設計。
了解換熱器的基本構造與操作原理。
掌握熱量衡算與傳熱系數K及對流傳熱膜系數α的測定方法。
了解強化傳熱的途徑及措施。
掌握熱電偶的測溫原理及電位差計的使用。
六、實驗原理
傳熱實驗是在實驗室條件下的教學實驗，用儀表考察冷熱流體在套管式換熱器中的傳熱過程，其理論基礎是傳熱基本方程牛頓冷卻定律及熱量平衡關系。
由傳熱基本方程得：
式中    K——傳熱系數            （）
        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，由實驗測定Q、A、即可求得K值。
由傳熱系數K亦可確定換熱面內外兩側的對流傳熱膜系數。
對薄壁圓管（小于2），傳熱系數K與傳熱膜系數之間有如下關系：

式中    K——傳熱系數                             （）
       ——加熱管外壁面的對流傳熱膜系數         （）
       —— 加熱管內壁面的對流傳熱膜系數        （）
δ——加熱管壁厚                           （m）
λ——加熱管的導熱系數                      (w/m K)
——加熱管外壁面的污垢熱阻               （）
——加熱管內壁面的污垢熱阻               （）
實驗室條件下考慮忽略污垢熱阻，則
               
若有 》，則有K≈；
實驗中冷流體采用空氣，熱流體采用水蒸汽。通過測取冷熱流體在換熱器進出口的流量及溫度變化來進行總傳熱系數K對流傳熱膜系數與相關準數關系的測定。
 
七、實驗步驟及注意事項
1.實驗前的準備,檢查工作.
(1) 向電加熱釜加水至液位計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，設定加熱電壓，啟動電加熱器開關，開始加熱。
2. 實驗開始.
(1)一段時間后水沸騰,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，標志著實驗可以開始。
(2) 約加熱十分鐘后,可提前啟動鼓風機,保證實驗開始時空氣入口溫度t(℃)比較穩定。
(3) 調節空氣流量旁路閥的開度,使壓差計的讀數為所需的空氣流量值(當旁路閥全開時,通過傳熱管的空氣流量為所需的最小值,全關時為最大值)。
(4)穩定5-8分鐘左右可轉動各儀表選擇開關讀取各數值。(注意：第1個數據點必須穩定足夠的時間)
(5) 重復(3)與(4)共做3-5個數值。
(6) 最小,最大流量值一定要做。
(7) 整個實驗過程中,加熱電壓可以保持(調節)不變,也可隨空氣流量的變化作適當的調節。
3．轉換支路，重復步驟2的內容，進行強化套管換熱器的實驗。測定3-5組實驗數據。
4． 實驗結束.
(1)關閉加熱器開關。
(2) 過10分鐘后關閉鼓風機,并將旁路閥全開。
(3) 切段總電源
(4) 若需幾天后再做實驗,則應將電加熱釜中的水放干凈。
注意事項：
1．熱球風速儀在測量時才抽出探頭，停止實驗時則應將探頭關好，一定要注意不能損壞探頭內的鉑絲等重要測量元件。
2．檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常范圍內。特別是每個實驗結束后，進行下一實驗之前，如果發現水位過低，應及時補給水量。
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。在轉換支路時，應先開啟需要的支路閥，再關閉另一側，且開啟和關閉控制閥必須緩慢，防止管線截斷或蒸汽壓力過大突然噴出。
4．必須保證空氣管線的暢通。即在接通風機電源之前，兩個空氣支路控制閥之一和旁路調節閥必須全開。在轉換支路時，應先關閉風機電源，然后開啟和關閉控制閥。
5. 實驗操作時應注意安全，防止觸電和燙傷。
6.測量時應逐步加大氣相流量，記錄數據。否則實驗數值誤差較大。
實驗數據整理及要求
 

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