CES气-气传热实验仿真操作手册

时间:2024.6.12

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=ARemPr0.4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=BRem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?℃);

       Qi—管内传热速率,W;

       Si—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: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。

管内换热面积:

                (2-3)

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:

        (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;

      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。

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:

       (2-7)

通过实验确定不同流量下的Rei,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Rei,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

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