气—气传热综合实验讲义

一、实验目的：

（1）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，并应用线性回归分析方法，确定关联式中常数A、m的值；

（2） 通过对管程内部插有螺旋线圈和采用螺旋扁管为内管的空气—水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式中常数B、m的值和强化比，了解强化传热的基本理论和基本方式；

（3）了解套管换热器的管内压降和之间的关系；

二、实验内容：

实验一：

① 测定5~6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=ARe^mPr^0.4中常数A、m的值。

③ 测定5~6个不同流速下简单套管换热器的管内压降。

实验二：

① 测定5~6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=BRe^m中常数B、m的值。

③ 测定5~6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，按实验一所得准数关联式求得Nu₀，计算传热强化比Nu/Nu₀。

三、实验原理

实验一  普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定

1. 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。

                         （2-1）

式中：—管内流体对流传热系数，W/(m²?℃)；

       Q_i—管内传热速率，W；

       S_i—管内换热面积，m²；

       —内管壁面温度与内管流体温度的平均温差，℃。

       平均温差由下式确定：

              （2-2）

式中：t_i1，t_i2—冷流体的入口、出口温度，℃；

      t_w—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t_w 来表示。

管内换热面积：

                （2-3）

式中：d_i—内管管内径，m；

L_i—传热管测量段的实际长度，m；

由热量衡算式：

        （2-4）

其中质量流量由下式求得：

              （2-5）

式中：Vi—冷流体在套管内的平均体积流量，m³ / h；

      cp_i—冷流体的定压比热，kJ / (kg·℃)；

ρ_i—冷流体的密度，kg /m³。

cp_i和ρ_i可根据定性温度t_m查得，为冷流体进出口平均温度。t_i1、t_i2、tw、V_i可采取一定的测量手段得到。

2. 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，处于被加热状态，准数关联式的形式为

.        （2-6）

其中： ，    ，     

物性数据λ_i、cp_i、ρ_i、μ_i可根据定性温度t_m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：

       （2-7）

通过实验确定不同流量下的Re_i与，然后用线性回归方法确定A和m的值。

实验二、强化套管换热器传热系数及其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。

螺旋线圈的结构图如图2-1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的比值为主要技术参数，且节距与管内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2-1中的实验方法确定不同流量下的Re_i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，只有强化比高且阻力系数小的强化方式，才是最佳的强化方法。

  

四、实验装置

    1.实验流程图及基本结构参数：

如图2-2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）。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。

  

图2-2  空气-水蒸气传热综合实验装置流程图（A型）

实验装置：

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、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—传热系数分布实验套盒（本实验不使用）；15—紫铜管；16—加水口；17—放水口；18—液位计；19—热点偶温度测量实验测试点接口；20—普通管测压口；21—强化管测压口

2.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，

其流量计的计算式为：

式中： —孔板流量计两端压差，KPa；

        —流量计处温度(本实验装置为空气入口温度)，℃；

        —温度下的空气密度，kg/m³；

实验装置结构参数见下面说明：

由于被测管段内温度的变化，还需对所测得体积流量进行进一步的校正：

              （2-8）

Vt0 —冷流体进入换热器时的体积流量，m³ / h；

    ⑵ 温度的测量

实验中壁面温度是用铜-康铜热电偶测量的，温度与热电势的关系为：

                  T(℃)=1.2705+23.518×E(mv)                      （2-9）

冷流体进出口温度是用Cu50热电阻温度计测量得到的。

五、注意事项

⑴ 由于采用热电偶测温，所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存。检查热电偶的冷端，是否全部浸没在冰水混合物中。

⑵ 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。

⑶ 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2-2）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。

⑷ 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2-2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。

⑸ 调节流量后，应至少稳定5~10分钟后读取实验数据。

⑹ 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

⑴ 实验一的原始数据表、数据结果表（换热量、传热系数、各准数以及重要的中间计算结果）、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。

⑵ 实验二的原始数据表、数据整理表（换热量、传热系数、各准数、Nu₀和强化比，还包括重要的中间计算结果）、准数关联式的回归结果。

⑶ 在同一双对数坐标系中绘制实验一、实验二的Nu~Re的关系图。

⑷ 在同一坐标系中绘制实验一、实验二的△P~Nu的关系图。

⑸ 对实验结果进行分析与讨论。

七、传热实验仿真操作步骤

  传热实验仿真主要设备介绍图如下图2-3所示：

 

普通套管实验操作：

⑴ 检查水槽液位计，若发现水量较少，打开注水阀VA102，补充水量至2/3处；

⑵ 打开连通阀VA101，使水槽与蒸汽发生器相通；

⑶ 打开普通套管蒸汽开关阀VA104，确保蒸汽管路畅通；

⑷ 打开电源总开关，启动蒸汽发生器开关，加热蒸气；

⑸ 等待若干秒，待水蒸气进入套管换热器外管，当蒸气排出口有恒量蒸汽排出时，标志实验可以开始；

⑹ 打开漩涡风机旁路阀VA106至最大；

⑺ 打开普通套管空气开关阀VA107，确保空气管路畅通；

⑻ 启动漩涡风机开关；

⑼ 通过调节漩涡风机旁路阀VA106的开度，调节流量所需值，待数值稳定后，到“实验数据一”面板点击“普通套管数据记录”按钮，记录实验数据至“实验报表”

⑽ 按照阀门VA106开度由大到小的顺序，记录5~6组实验数据

强化套管实验操作：

⑾ 关闭风机电源；

⑿ 缓慢开启强化管道蒸汽开关阀VA105，再关闭普通套管蒸汽开关阀VA104，使强化管路蒸汽畅通；待蒸气排出口有恒量蒸汽排出，标志强化套管传热实验可以开始；

⒀ 将漩涡风机旁通阀VA106开至最大，接通漩涡风机开关；

⒁ 调节漩涡风机旁通阀VA106的开度，调节流量至所需值，带数值稳定后，倒“实验数据二”面板点击“强化套管数据记录”按钮，记录实验数据至“实验报表”

⒂ 按照阀门VA106开度由大到小的顺序，记录5~6组实验数据

⒃ 关闭蒸汽发生器加热电源，待蒸气放空口没有蒸汽逸出，将漩涡风机旁通阀VA106至全开，并关闭漩涡气泵开关，关闭总电源开关

⒄ 实验结束

参数设置：

到“参数设置”面板，改变强化套管、普通套管的半径、长度、蒸汽温度，重复以上步骤；

注意事项：

所有错误操作提示以动画灯泡为标志：

⑴ 若打开电源总开关、漩涡风机开关，且未将漩涡气泵旁通阀VA106打开，出现提示：

⑵ 若打开电源总开关、漩涡风机开关、漩涡风机旁通阀VA106，但空气管路未保持畅通，出现提示：

⑶ 若水槽内水位过低，打开蒸汽加热器开关，出现提示：

⑷ 若蒸汽管路未畅通，出现提示：

⑸ 若在启动蒸汽发生器开关前，连通阀VA101没有打开，出现提示：

第二篇：传热装置实训操作手册

传热装置实训操作手册

一、实训目的

1.认识传热设备结构

2.认识传热装置流程及仪表

    3.掌握传热装置的运行操作技能

4.学会常见异常现象的判别及处理方法

二、实训原理

列管换热器结构紧凑，单位体积所具有的传热面积较大(40～150m2/m3)，传热效果好，适应性强，操作弹性大，尤其适用于高温、高压和大型装置中，是管式换热器中应用最普遍的换热器。

两种流体分别在套管换热器的内管和外管中流动，进行热量交换。热流体的温度由T1降至T2，冷流体的温度由t1升至t2。由于热流体与冷流体之间存有温度差△tm，则热量通过间壁从热流体传给冷流体。

三、实训流程

1.装置认识

●认识目标  熟悉装置流程、主体设备及其名称、各类测量仪表的作用及名称。

（1）装置流程

传热操作实训装置DCS图1－1。

传热操作实训装置现场图1－2。

（2）主体设备

表1    换热设备的结构认识

（3）测量仪表

表2    测量仪表认识

2．开车前的准备工作

1.了解列管式换热器的传热基本原理；

2.熟悉空气-水蒸汽传热实训工艺流程, 实训装置及主要设备；

四、实训步骤：

（一）正常开车

1． 空气开车过程

（1）   全开E101A排水阀门VA107，VA105，VA109排水。

（2）   打开分气包R101排水阀门VA118，VA121，给设备R101排水。

（3）   全开漩涡气泵P101出口阀门VA101，准备通空气。

（4）   全开换热器E101A空气进口阀门VA104。

（5）   全开换热器E101A空气出口阀门VA126。

（6）   打开总电源开关。

（7）   打开P101气泵开关。

（8）   启动变频器“stop”按钮。

（9）   空气流量控制在60m^3/h，控制器投自动。空气流量控制为质量评分，即在一定时间内（60s）达到所要求的流量，而流量是允许有一定偏差的质量评定。超过规定时间，则算不合格，不给分。

2． 蒸汽开车过程

（1）打开蒸汽总阀VA135。

（2）慢慢打开R101进口阀VA117，控制分气包R101的压力在0.2MPa左右(点击实训装置图中R101上面的仪表，观察压力情况）。

(3) 严禁分气包R101的压力超过250kPa,如果学生操作过程中导致压力超过250kPa,会在总分中扣除10分。

（4）依次打开分汽包R101后阀门VA119、VA129、VA131、VA127，均置全开。

（5）打开VA111置全开,置换换热器E101A中空气，一分钟后关闭。

（6）蒸汽压力PIC02控制在150kPa，控制器投自动。

（7）装置运行过程中，间歇开关VA111排放不凝气。

3．生成实训报告

（1）       在“实训数据记录”中点“保存数据”和“数据处理”按钮，点击软件下方的“实训报告”，弹出数据处理框。

（2）       可在弹出的数据处理框中查看记录下的数据，组分数据以及实训参数数据。点下方的“实训报告”按钮，弹出报告。

（3）       弹出的实训报告分四页：

a)     第一页是学员信息和实训参数；

b)    第二页是换热器E101A操作记录；

c)     第三页是换热器A-B切换操作记录；

d)    第四页是传热数据处理表；

（二）正常操作

（1）定时巡检设备，仪表，检查设备运行是否正常。

（2）每三分钟记录保存一次实训数据。

（三）换热器切换

换热器切换训练是为了培训学生在正常生产过程中，当设备发生故障或者检修时，如何在不停止生产的情况下，安全有效的进行备用设备的启动切换。

注意：操作过程中，每1分钟记录一次操作数据，即点击“保存数据”按钮。

1．进入稳态工况，进行换热器的切换。

2．打开换热器E101B空气进口阀门VA103（开度10）。

3．打开E101B排水阀VA106。

4．打开换热器E101B蒸汽进口阀VA125，开度为5，预热换热器E101B，

5．3．全开换热器E101B放空阀VA110，吹扫换热器E101B，吹扫一分钟后关闭阀门VA110。

6．逐步关小E101A空气进口阀VA104，并同时加大E101B空气进口阀VA103的开度，两者同时进行。逐步关小E101A蒸汽进口阀VA127，并同时加大E101B蒸汽进口阀VA125的开度，两者同时进行。实行平稳过渡，切换过程中要保证TI05的温度变化很小。

    重复以上步骤：VA103的开度增10%，VA104开度减10%，VA125的开度增10%，VA127开度减10%，．．．．．．直到各阀门全开或者全关。

7．关闭E101A空气出口阀VA126。

8．换热器切换过程中要保证TI05的温度在70到90度之间，如果超出这个范围，系统会在总分中扣分。

9．（2）生成实训报告（步骤同正常开车此部分）。

（四）停车操作

1．首先关闭蒸汽总阀VA135。

2．打开分气包R101上的阀门VA116，给R101排汽。

3．待R101的压力降为零后，关闭VA117、VA119、VA125 、VA129、 VA131 、VA127、最后关闭VA116。

4．待空气出口温度降到40度以下后，关闭变频器开关“run”，关闭P101气泵电源。

5．关闭泵后阀VA101，关闭E101A空气入口阀VA104，空气出口阀VA126。

6． 关闭换热器E101A排水阀VA107。

7．关闭总电源。

（五）扰动操作

1．蒸汽干扰

（1）进入蒸汽干扰，约5秒后开始蒸汽扰动，自动关闭电磁阀VA123。学生要根据数据变化判断扰动发生位置，并采取有效措施恢复正常工况。（干扰评分在60秒以后开始启动）

（2）生成实训报告（步骤同正常开车此部分）

2．不凝气干扰

（1）进入不凝气干扰，约5秒后开始不凝气扰动，自动打开电磁阀VA133。学生要根据数据变化判断扰动发生位置，并采取有效措施恢复正常工况。（干扰评分在60秒以后开始启动）

（2）生成实训报告（步骤同正常开车此部分）

3．冷凝水干扰

（1）进入冷凝水干扰，约5秒后开始冷凝水扰动，自动关闭电磁阀VA113。学生要根据数据变化判断扰动发生位置，并采取有效措施恢复正常工况。（干扰评分在60秒以后开始启动）

（2）生成实训报告（步骤同正常开车此部分）

五、参考文献

[1] 冷士良. 化工单元过程及操作. 北京：化学工业出版社，2002

[2] 张金利等. 化工原理实验. 天津：天津大学出版社，2005

[3] 杨祖荣. 化工原理实验. 北京：化学工业出版社，2004