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1、 化工实验传热装置性能的测试 摘要：对化工实验室新购传热设备进行数据收集和性能测试，并对二套实验装置的光滑管、强化管测取的数据进行处理、分析。关键词：光滑管；强化管；传热准数关联式；测试前言 传热实验是化工基础实验课通常开设的实验项目，该实验的目的是通过测取空气-蒸汽强制对流的一系列实验数据，运用非线性型回归的分析方法，从测取的实验数据整理出传热准数关联式，并且确定常数B,m值。 目前国内包括传热实验装置在内的化工实验装置的制作没有全国通用的行业标准，实验装置的设施配备大都由制作单位自行确定，实验装置的性能亦有很大的区别，因此这些非标准的设备在正式使用前进行全面的性能测试非常必要的。本文测试的
2、化工实验室2套传热实验装置是从天津大学化工基础实验中心新购，均设置有光滑管与螺旋管换热器，螺旋管换热器的结构形式为内管插入螺旋线圈的方式，测试目的是探索2套传热实验装置最佳的工作条件。文献上光滑管作强制对流传热公认的关联式为Nu=0.023Re0.8Pr0.41，本文主要测试加热电压、空气初始流量，空气出口处热电阻的位置等因素考察对光滑管作强制对流传热公认的关联式的偏离程度，通过数据整理出的传热准数关联式与文献值作比较得出光滑和强化套管换热器最佳的工作条件. 强化管即螺旋管换热器是通过内管插入螺旋线圈来强化传热的，文献上没有统一的传热准数关联式，在本实验中作单纯作为测试传热强化手段的强化效果。
3、本文就是为这套实验设备较全面的性能测试，为以后实验教学提供参考。一、 实验装置与测试方案：需要测试的传热2套传热实验装置均是以空气和水蒸汽为介质，每套单独设置对流换热的简单套管换热器和强化内管的套管换热器。实验装置简图见图1-1，及装置的有关技术参数见表1-1。 图1-1传热试验装置流程图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；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、冷凝液回流口表1-1传热管参数； 实验装置结构
4、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）1.20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安实验测试方案： 光滑管强制对流公认的关联式为Nu=0.023Re0.8Pr0.4，关联式中普兰特常数Pr变化不大，传热管测量段上空气的Pr平均值为0.865，可把Pr0.4当作定值。因此强制对流公认的关联式简化为：Nu=0.0199Re0.8。对实验装置的加热电压、空气初始流量，空气出口热电阻插入深度等因素在可测取的范围内考查传
5、热关联式指数m、系数B与强制对流简化关联式的Nu=0.0199Re0.8偏离程度。以下是本实验测试换热性能方案：空气初始流量光滑管范围分为4.75Kpa-4.79Kpa（空气最大流量），2.30Kpa- 2.32Kpa，1.12Kpa-1.14Kpa逐步减小；强化管空气初始流量范围2.45Kpa-2.49Kpa（空气最大流量），1.20Kpa-1.27Kpa，0.55Kpa-0.59Kpa逐步减小;加热电压分为160V,165V,170V,175V,180V;空气出口处热电偶插入深度分别为5厘米，4.5厘米，4厘米，3.5厘米，3厘米，2.5厘米，2厘米，1.5厘米，1厘米。空气出口处热电阻插
6、入深度为热电阻端点和出口中心处的位置，如下图2图1-2热电阻插入深度详图二、实验测试过程：实验装置是数字化传热实验装置，准备工作完毕按照实验测试方案用电脑自动收集数据，首先在传热实验装置A空气初始流量为4.75Kpa-4.79Kpa（空气最大最大流量），出口处热电阻插入深度5厘米，按160v ,165v,170v,175v加热电压收集10组数据，改变空气初始流量分别记录对应进口温度，出口温度，管壁温度。空气初始流量一直做到流量为1.12Kpa-1.14Kpa为止。由测取数据和有关计算公式计算出努塞尔准数Nu和雷诺数Re。 (1)空气流过测量段上平均体积（ m3/h）的计算:孔板流量计体积流量：
7、（2）传热管内平均体积流量 管平均流速（3）传热准数： （4）雷诺准数 ： （5）作图、回归得到准数关联式中的系数。三、实验结果与处理分析：3.1实验装置A-光滑管：需要测试的设备有2套，先对装置A-光滑管进行测试。表3-1是空气初始流量1.12Kpa-1.14Kpa和出口处热电偶位置为插入深度为5厘米的光滑管实测数据。 表3-1装置A-光滑管在不同加热电压下的准数关联式B，m值准数关联式的B值准数关联式的m值加热电压160V0.03740.743加热电压165v0.03840.741加热电压170v0.03680.745加热电压175v0.03520.749加热电压180v0.03560.7
8、48从表3-1准数关联式的B，m值知道装置A-光滑管测试的结果为：空气初始流量为1.12Kpa-1.14Kpa和出口处测电阻位置为5厘米的时候，加热电压在165v到175v之间，实验得出的准数关联式B，m值相差不大。表3-2是空气初始流量为1.12Kpa-1.14Kpa，准数关联式B 和m值，以下是光滑管的实测数据。 表3-2装置A-光滑管在不同流量下的准数关联式B，m值 流量加热电压4.75Kpa-4.79Kpa2.30Kpa- 2.32Kpa1.12Kpa-1.14Kpa175vB mB mB m0.05560.7040.04650.7210.3520.749根据表3-1和表3-2数据准数
9、关联式B，m值，装置A-光滑实验空气初始流量不宜太大 ，测定数据时宜选择空气初始流量为1.12Kpa-1.14Kpa，加压电压165v到170V。表3-3是装置A-光滑管实验选择空气初始流量1.12Kpa-1.14Kpa，空气出口热电阻插入深度分别为4厘米，3厘米，2.5厘米，2厘米， 1厘米，0.5厘米0厘米，表3-4是加热电压在165-175V简化关联式常数的的实测数据：表3-3 装置A-光滑管在不同加热电压，不同热电阻位置的准数关联式B，m值4厘米3厘米2.5厘2厘米1厘米0.5厘米0厘米BmBmBmBmBmBmBm165v 0.05430.7010.05400.7020.05230.7
10、070.03630.7470.05710.7000.03080.7650.7010.679170v0.04410.7230.04550.7210.04050.7340.03510.7510.03180.7610.03070.7660.03130.763175v0.04300.7260.04060.7330.03890.7390.03650.7470.03280.7580.03040.7670.02930.771表3-4热电偶插入深度为0.25厘米不同加热电压下的准数关联式B，m值 加热电压/v热电阻位置165170175BmBmBm0.25厘米0.02970.7690.02850.7730.0
11、2730.778从表3-3和3-4的准数关联式B，m值，看出装置A-光滑管热电阻插入深度在2.5厘米，加压电压175v，更接近简化关联式文献值0.01994和0.8。表3-5是装置A-光滑管在空气初始流量1.12Kpa-1.14Kpa，加热电压175v，空气出口处热电阻插入深度0.25厘米，用电脑采集的数据及处理结果。表3-5装置A-光滑管测试适宜工作条件部分实验数据图3-1是用excel处理表3-5，回归装置A-光滑管测试适宜工作条件下简化关联式常数关联图 图3-1装置A-光滑管准数关联图由图3-1知从适宜工作条件回归的装置A-光滑管强制对流的简化准数关联式为Nu=0.02730Re0.77
12、8，和目前公认的光滑管简化关联式：Nu=0.01994Re0.8形式还是有一定差别的。为进一步考察Nu=0.02730Re0.778和目前公认的光滑管简化关联式偏离状况，可考虑把数据Re的幂指数固定为0.8，重新计算Nu=BRe0. 8形式的系数B的变化情况，表3-6是对表3-5所有Re取0.8次方的的数据及对应的努塞尔Nu值。表3-6 装置A-光滑管 Nu-Re0.8数据Re0.83548.5283446.4763313.1183172.4363022.5192876.6182719.8732567.69224012239.504Nu67.1565.4362.9560.4357.6354.9
13、751.8349.1346.0942.94LgRe0.8 3.5503.5373.5203.5013.4803.4583.4343.4093.3803.350Lg Nu1.8271.8151.7981.7811.7601.7401.7141.6911.6931.632图3-2是从表3-6数据回归线性LgNu-LgRe0.8关联图。 图3-2装置A-光滑管 LgNu-LgRe0.8准数关联式 表3-2是由电子表格得出的LgNu-LgRe0.8关联图，但由于电子表格的局限，只能固定截距，光滑管公认的简化式Nu=0.01994Re0.8经过整理的光滑管关联式为LgNu=LgRe0.8-1.700，由
14、此截距固定为-1.700，由图3-2得出的装置A光滑管简化关联式为LgNu=0.994LgRe0.8-1.700和整理的光滑管关联式为LgNu=LgRe0.8-1.700比较可以知道，吻合度达到99.4%。3.2实验装置A-强化管 为了比较设备A-强化管与光滑管的强化效果，设定了空气初始流量在2.45Kpa-2.49Kpa（空气最大流量），1.20Kpa-1.27Kpa，0.55Kpa-0.59Kpa逐步减小，热电阻插入深度为5厘米时的实验数据，加热电压为175V，表3-7是 装置A-强化管测试数据及结果。 表3-7不同空气初始流量下装置A-强化管准数关联式B，m值 流量加热电压2.45Kpa-2.49Kpa1.20Kpa-1.27Kpa0.55Kpa-0.59KpaBmBmBm175v0.05780.759
