化工传热实验装置使用说明书

一、概述
热力学第二定律指出：无论是气体、液体还是固体，都存在着温度差异，就必然导致热量自发地从高温向低温传递，这一过程被称为热量传递过程，简称传热。用于冷热流体进行热量交换的设备称为换热器。
传热在工程技术领域中的应用十分广泛，在动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源和宇航等工程中，都占有十分重要的地位。因此，了解传热过程的基本原理及传热设备（即换热器）的结构性能具有极其重要的意义。
换热器是由各种不同的传热元件组成的换热设备，冷热流体借助换热器中的传热元件进行热量交换而完成加热或冷却任务。换热器的传热系数是衡量换热器的换热效果好坏的标准，不同传热元件组成的换热器的性能存在着较大的差异。确定换热器换热性能（主要是指传热系数）的有效途径是通过实验进行测定。
二、强化套管换热器实验简介
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。
螺旋线圈的结构图如图1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。
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。

图1 螺旋线圈内部结构
三、设备主要技术参数：
1、传热管参数: 
实验装置结构参数

实验内管内径di（mm）			20.0
实验内管外径do（mm）			22.0
实验外管内径Di（mm）			53.0
实验外管外径Do（mm）			57.0
测量段（紫铜内管）长度l（m）			1.00
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
	操作电流		≤10安

2、蒸发器为不锈钢制成，最大加热功率为2KW。其上装有液位计，正常液位要维持在2/3处，最多加至液位计所能指示的范围最高处。必要时加水，以免电热管干烧（加水时需注意水位超过液位计指示时仍往蒸发器内加水，液位计将无法显示液位）。其表面也包有保温层。
3、风机为旋涡风机，输入功率为550W转速为  2800/min,风量为95m3/h。
4、温度仪表：本装置上配置一块AI-518温度控制仪表，一块AI-702M温度巡检仪和一块AI-704M温度巡检仪，AI-518温度控制仪表用于控制蒸发器温度，一块AI-702M和一块AI-704M温度显示仪可以直接显示所对应各点的温度。
6、开关、指示灯  按下开关指示灯亮表明对应的工作正在运行，关闭时则按开关上箭头的方向旋转即可。
四、实验流程图

 
五、实验目的
熟悉传热实验的实验方案设计及流程设计。
了解换热器的基本构造与操作原理。
掌握热量衡算与传热系数K及对流传热膜系数α的测定方法。
了解强化传热的途径及措施。
掌握热电偶的测温原理及电位差计的使用。
六、实验原理
传热实验是在实验室条件下的教学实验，用仪表考察冷热流体在套管式换热器中的传热过程，其理论基础是传热基本方程牛顿冷却定律及热量平衡关系。
由传热基本方程得：
式中    K——传热系数            （）
        A——换热器的传热面积     （）
        ——平均温度差           （K）
        Q——传热量                （W）
由上式可得，由实验测定Q、A、即可求得K值。
由传热系数K亦可确定换热面内外两侧的对流传热膜系数。
对薄壁圆管（小于2），传热系数K与传热膜系数之间有如下关系：

式中    K——传热系数                             （）
       ——加热管外壁面的对流传热膜系数         （）
       —— 加热管内壁面的对流传热膜系数        （）
δ——加热管壁厚                           （m）
λ——加热管的导热系数                      (w/m K)
——加热管外壁面的污垢热阻               （）
——加热管内壁面的污垢热阻               （）
实验室条件下考虑忽略污垢热阻，则
               
若有 》，则有K≈；
实验中冷流体采用空气，热流体采用水蒸汽。通过测取冷热流体在换热器进出口的流量及温度变化来进行总传热系数K对流传热膜系数与相关准数关系的测定。
 
七、实验步骤及注意事项
1.实验前的准备,检查工作.
(1) 向电加热釜加水至液位计2/3处。
(2) 检查普通管支路各控制阀是否已打开。保证蒸汽和空气管线的畅通。
(3) 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. 实验开始.
(1)一段时间后水沸腾,水蒸汽自行充入普通套管换热器外管，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，标志着实验可以开始。
(2) 约加热十分钟后,可提前启动鼓风机,保证实验开始时空气入口温度t(℃)比较稳定。
(3) 调节空气流量旁路阀的开度,使压差计的读数为所需的空气流量值(当旁路阀全开时,通过传热管的空气流量为所需的最小值,全关时为最大值)。
(4)稳定5-8分钟左右可转动各仪表选择开关读取各数值。(注意：第1个数据点必须稳定足够的时间)
(5) 重复(3)与(4)共做3-5个数值。
(6) 最小,最大流量值一定要做。
(7) 整个实验过程中,加热电压可以保持(调节)不变,也可随空气流量的变化作适当的调节。
3．转换支路，重复步骤2的内容，进行强化套管换热器的实验。测定3-5组实验数据。
4． 实验结束.
(1)关闭加热器开关。
(2) 过10分钟后关闭鼓风机,并将旁路阀全开。
(3) 切段总电源
(4) 若需几天后再做实验,则应将电加热釜中的水放干净。
注意事项：
1．热球风速仪在测量时才抽出探头，停止实验时则应将探头关好，一定要注意不能损坏探头内的铂丝等重要测量元件。
2．检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。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。
3．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。
4．必须保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前，两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。
5. 实验操作时应注意安全，防止触电和烫伤。
6.测量时应逐步加大气相流量，记录数据。否则实验数值误差较大。
实验数据整理及要求
 

序号	流量(m3/h)	气体入口T(℃)	气体出口T(℃)	蒸汽入口T(℃)	蒸汽出口T(℃)	(℃)