化工传热综合实验装置说明书

化工传热综合实验装置说明书一、实验概述传热是化工生产过程中最基本的单元操作之一，广泛应用于物料加热、冷却、蒸发、冷凝等工艺环节。对流传热系数作为表征传热过程强弱的核心参数，其测定与关联是化工原理实验教学的重要内容。本实验通过空气-水蒸气套管换热器系统，分别研究普通光滑管与内插螺旋线圈强化管的传热特性，旨在帮助实验者深入理解对流传热的基本原理、影响因素及强化传热技术的实现方式，掌握实验数据的测量、处理及准数关联式的建立方法，为工程实际中的换热器设计、优化及操作提供理论与实践支撑。本实验装置采用模块化设计，集成了普通套管换热器与强化套管换热器，可实现不同流速下的传热性能对比测试。实验过程中，以空气作为冷流体，水蒸气作为热流体，通过测量流体进出口温度、流量、壁面温度等参数，结合传热基本方程与准数关联理论，完成对流传热系数的计算、准数关联式的确定及传热强化比的评价，全面覆盖传热实验的核心知识点与技能要求。二、实验目的掌握空气-水蒸气套管换热器管内对流传热系数的实验测定方法，加深对牛顿冷却定律、总传热系数与对流传热系数关系等基本概念的理解。对比研究普通光滑管与内插螺旋线圈强化管的传热性能，明确强化传热技术的作用机理，理解其对传热过程的影响规律。学习运用线性回归分析方法，处理实验数据并建立准数关联式（普通管：Nu=ARemPr0.4；强化管：Nu=BRem计算普通管与强化管的努塞尔准数（Nu0、Nu），确定传热强化比（熟悉传热实验装置的结构组成、工作原理及操作流程，掌握温度、流量等参数的测量技术，培养实验数据处理、误差分析及工程问题解决能力。三、实验原理（一）对流传热系数的测定原理对流传热系数αiQ式中：Qiαi——管内冷流体对流传热系数，W/Si——管内换热面积，mΔt在本实验系统中，热流体为饱和水蒸气，其对流传热系数αo远大于管内空气的对流传热系数αi（即αi1由于1αo和管壁热阻bλ可忽略不计，因此总传热系数K≈αi，可通过测定总传热速率Qi、换热面积α1.传热速率Qi的计算根据热量衡算，冷流体（空气）在换热过程中吸收的热量等于热流体（水蒸气）放出的热量（忽略热损失），即：Q式中：Wicpi——冷流体在定性温度下的定压比热容，J/ti1、t其中，冷流体的质量流量WiW式中：Vi——冷流体的平均体积流量，mρi——冷流体在定性温度下的密度，kg/2.管内换热面积Si的计算套管换热器的管内换热面积为内管的内表面积，计算公式为：S式中：diLi3.平均温度差Δtmi的计算由于换热器内管为紫铜管，其导热系数大且管壁薄，可认为内壁温度、外壁温度与壁面平均温度近似相等（用tw表示）。又因管外为饱和水蒸气，壁面温度tΔ式中：tm——冷流体的定性温度，即进出口温度的平均值，ttw（二）准数关联式的建立原理流体在管内作强制湍流时，对流传热的准数关联式通常采用幂函数形式表示，其一般形式为：Nu=AR式中：Nu——努塞尔准数（Nu=αRe——雷诺准数（Re=dPr——普兰特准数（Pr=cA、m、n——实验确定的常数。对于管内被加热的空气，在实验温度范围内，普兰特准数Pr变化较小，可视为常数。根据传热实验常用关联形式，取n=0.4，则关联式简化为：Nu=AR对该式两边取对数，可得线性方程：lg令Y=lgNu−0.4lgPr，X=lgRe，b=lgA，则方程变为Y=b+mX。通过测定不同流量下的Re与（三）强化传热原理及强化比计算强化传热技术是通过改变传热表面结构、优化流动状态等方式，提高对流传热系数，从而增强传热效果的技术手段。本实验采用内插螺旋线圈的方式强化传热，其作用机理为：螺旋线圈使近壁区域的流体产生旋转运动，增强径向混合，减小传热边界层厚度；线圈的螺旋金属丝周期性扰动流体，破坏边界层的稳定发展，强化热量传递；螺旋线圈结构简单，金属丝直径细，流体流动阻力增加较小，能量消耗较低。强化传热效果的评价通常采用强化比η，其定义为强化管的努塞尔准数与普通管的努塞尔准数之比：η=式中：Nu——强化管的努塞尔准数；Nu强化比η>1表明传热得到强化，η值越大，强化效果越好。若需综合评价强化技术的经济性，还需考虑流动阻力的增加情况，选择强化比高且阻力系数小的强化方式。强化管的准数关联式形式为：Nu=BR同样通过线性回归方法，可确定常数B和指数m的值。四、实验装置与技术参数（一）实验装置流程本实验装置主要由空气供给系统、蒸汽发生系统、换热系统、测量系统及控制系统组成，流程示意图如下：储水罐→液位计→蒸汽发生器→蒸汽进口阀（10/13）→普通套管换热器（4）/强化套管换热器（9）→蒸汽出口（3/8）→散热器（20）→储水罐（循环）；旋涡气泵（15）→空气旁路调节阀（14）→空气进口阀（1/6）→孔板流量计（12）→温度测量点（2/7）→普通套管换热器（4）/强化套管换热器（9）→温度测量点（5/11）→放空。主要设备及部件说明：旋涡气泵（XGB─12型）：为系统提供连续稳定的空气流，通过旁路调节阀调节空气流量；蒸汽发生器：采用电加热方式产生饱和水蒸气，配有液位计监测水位，防止干烧；换热器：两套并联的套管换热器，分别为普通光滑管换热器（4）和内插螺旋线圈的强化管换热器（9）；孔板流量计：测量空气的体积流量，配备压差测量装置；温度巡检仪：实时测量空气进出口温度、换热器壁面温度，数据显示直观；散热器：将出口蒸汽冷凝为水，回流至储水罐循环使用；阀门系统：包括空气进口阀、蒸汽进口阀、旁路调节阀、排水阀等，用于切换流程、调节流量及系统维护。（二）主要技术参数设备/部件技术参数旋涡气泵最大风量≥15m³/h，风压≥2kPa，电源220V蒸汽发生器额定功率≤5kW，操作电压≤200V，操作电流≤10A，储水罐容积≥20L孔板流量计孔径d₀=0.017m，孔流系数c₀=0.65普通套管换热器内管材质：紫铜，内径dᵢ=20mm（0.02m），测量段长度Lᵢ=1.2m强化套管换热器内管结构：内插螺旋线圈，线圈材质：铜丝，直径≤3mm，节距H=40mm温度测量测量范围：0-150℃，精度±0.5℃压差测量测量范围：0-5kPa，精度±0.01kPa电源要求三相五线制，总功率≤10kW（三）实验装置面板说明实验装置面板集成了电源开关、加热开关、风机开关、加热电压调节仪表、温度巡检仪、压差显示仪表等控制与测量元件，各部件功能如下：电源总开关：控制整个实验装置的电源通断；加热开关：控制蒸汽发生器的电加热器启停；风机开关：控制旋涡气泵的启停；加热电压调节仪表：设定和显示蒸汽发生器的加热电压（0-200V可调）；温度巡检仪：显示各测量点温度，包括：普通管空气进口温度（测量点2）；普通管空气出口温度（测量点5）；强化管空气进口温度（测量点7）；强化管空气出口温度（测量点11）；普通管壁面温度（上）；强化管壁面温度（下）；压差显示仪表：显示孔板流量计的压差，用于计算空气体积流量；指示灯：分别指示电源、加热、风机的工作状态。五、实验试剂与仪器（一）实验试剂无特殊化学试剂，实验中冷流体为空气（实验室环境空气），热流体为水（经蒸汽发生器加热产生水蒸气）。（二）实验仪器仪器名称规格型号数量用途传热综合实验装置定制（含普通/强化套管换热器）1套主体实验设备旋涡气泵XGB─12型1台提供空气流蒸汽发生器定制1台产生饱和水蒸气孔板流量计孔径0.017m1个测量空气体积流量温度巡检仪精度±0.5℃1台测量各点温度压差变送器量程0-5kPa1个测量孔板流量计压差万用表精度±0.5%1块检查电路连接（备用）扳手、螺丝刀成套1套设备维护与调试记录表格定制若干实验数据记录六、实验操作步骤（一）实验前准备设备检查：检查储水罐（16）水位，加水至液位计上端刻度线，确保蒸汽发生器内有水，防止干烧；检查管路阀门状态：空气旁路调节阀（14）全开，蒸汽支路控制阀（10、13）确保至少有一路开启，空气支路控制阀（1、6）确保至少有一路开启，保证蒸汽和空气管线畅通；检查电路连接：确认电源线的相线、零线、地线连接正确，无松动、破损现象；检查测量仪表：温度巡检仪、压差显示仪表通电预热，确保显示正常；检查换热器状态：确认普通管与强化管换热器内无杂物堵塞，螺旋线圈安装牢固。仪器调试：合上电源总闸，观察各指示灯是否正常亮起；启动温度巡检仪，检查各温度测量点是否显示稳定（初始为环境温度）；启动压差显示仪表，确认零点校准正常。预习与准备：熟悉实验装置的结构、流程及各部件功能；明确实验目的、原理及数据记录要求；准备好实验记录表格，记录实验日期、环境温度、大气压等基础数据。（二）普通管换热器实验操作开启蒸汽系统：确认普通管蒸汽进口阀（10）开启，强化管蒸汽进口阀（13）关闭；按加热电压调节仪表的设定键，在SV显示窗中设定加热电压（初始设定为160V，不得超过200V），30秒后仪表自动确认，启动电加热器；加热约10分钟后，提前启动风机（合上面板风机开关），使空气入口温度稳定，节省实验时间。调节空气流量：关闭强化管空气进口阀（6），开启普通管空气进口阀（1）；通过空气旁路调节阀（14）调节空气流量，从较小流量开始，稳定3-5分钟，使系统达到热稳定状态。数据测量与记录：待系统稳定后，记录以下数据：孔板流量计压差、普通管空气进口温度（t₁）、普通管空气出口温度（t₂）、普通管壁面温度（t_w）；按上述步骤，依次调节空气旁路调节阀，改变空气流量（共测定5-6组不同流量数据），每次改变流量后稳定3-5分钟，再记录相关数据。普通管实验结束：完成所有流量下的数据测量后，保持风机运行，关闭电加热器，让空气继续吹扫换热器5分钟，冷却设备。（三）强化管换热器实验操作切换换热系统：待普通管换热器冷却后，关闭普通管蒸汽进口阀（10）和普通管空气进口阀（1）；缓慢开启强化管蒸汽进口阀（13）和强化管空气进口阀（6），确保管线畅通，防止蒸汽压力骤升。开启蒸汽系统：重新设定加热电压（与普通管实验一致，160V左右），启动电加热器，直至有稳定水蒸气从强化管蒸汽出口（8）冒出。调节空气流量与数据记录：通过空气旁路调节阀（14）调节空气流量，流量范围与普通管实验保持一致，每次流量稳定3-5分钟后，记录以下数据：孔板流量计压差、强化管空气进口温度（t₁'）、强化管空气出口温度（t₂'）、强化管壁面温度（t_w'）；同样测定5-6组不同流量下的数据，确保与普通管实验的流量点一一对应，便于对比分析。（四）实验结束操作关闭电加热器，继续运行风机5分钟，冷却换热器及蒸汽发生器；关闭风机开关，关闭所有阀门（蒸汽进口阀、空气进口阀、旁路调节阀）；断开电源总闸，整理实验台面，清理实验现场；核对实验数据，确保数据完整、准确，无遗漏或异常值。七、实验注意事项水位控制：实验前及每次实验开始前，必须检查储水罐水位，确保蒸汽发生器内有水，严禁干烧，否则会损坏电加热器；实验过程中若发现水位过低，应立即停止加热，补充水后再继续实验。电压控制：加热电压不得超过200V，初始设定为160V为宜，避免电压过高导致蒸汽产生过快，压力过大。管线畅通：启动蒸汽发生器前，必须确保至少一路蒸汽支路控制阀开启，转换支路时应先开启目标支路阀门，再关闭原支路阀门，动作缓慢，防止蒸汽压力骤升喷出；启动风机前，必须确保至少一路空气支路控制阀和旁路调节阀全开，转换支路时应先关闭风机电源，再切换阀门，避免空气管线堵塞导致压力过高。系统稳定：每次改变空气流量后，需稳定3-5分钟，待温度、压差等参数稳定后再记录数据，确保实验数据的准确性。安全操作：实验过程中避免接触蒸汽管道及换热器壳体，防止高温烫伤；电路连接必须正确，严禁相线、零线、地线接错，实验过程中若发现电路异常（如跳闸、仪表失灵），应立即断开电源，排查故障；实验现场保持通风良好，便于蒸汽冷凝水回流及散热。数据记录：记录数据时应及时、准确，注明各测量点的对应关系，避免混淆普通管与强化管的数据；若发现异常数据（如温度突变、压差为零），应及时排查原因（如阀门未全开、管线堵塞），重新测量。八、实验数据记录与处理（一）实验数据记录表格表1普通管换热器实验数据记录表格实验序号孔板压差ΔP(kPa)空气进口温度t₁(℃)空气出口温度t₂(℃)壁面温度t_w(℃)定性温度t_m(℃)备注123456表2强化管换热器实验数据记录表格实验序号孔板压差ΔP(kPa)空气进口温度t₁'(℃)空气出口温度t₂'(℃)壁面温度t_w'(℃)定性温度t_m'(℃)备注123456（二）实验数据处理步骤（以普通管为例）1.基础参数确定内管内径di传热管长度Li管内换热面积Si=πd孔板流量计孔流系数c0=0.65，孔径孔板流量计流通面积A0=πd2.空气体积流量计算根据孔板流量计流量公式：V式中：Vt1——空气在进口温度下的体积流量，mΔP——孔板流量计压差，Pa；ρt1——空气在进口温度下的密度，kg/考虑温度对体积流量的影响，将进口温度下的体积流量换算为定性温度下的平均体积流量：V3.空气平均流速计算u式中：Fi——内管流通截面积，Fi=π4.空气物性参数确定根据定性温度tm=ti1+ti22，查空气物性表，得到该温度下的密度5.传热速率计算Q6.平均温度差计算Δ7.对流传热系数计算α8.准数计算努塞尔准数：Nu=雷诺准数：Re=普兰特准数：Pr=修正努塞尔准数：N9.准数关联式建立以lgRe为横坐标，lgNu'为纵坐标，绘制散点图，采用线性回归方法拟合直线方程lgNu'10.强化比计算对于每组对应流量下的普通管与强化管数据，分别计算Nu0（普通管）和η=（三）数据处理示例（普通管第一组数据）实验原始数据：孔板压差ΔP=0.9kPa；空气进口温度ti1空气出口温度ti2壁面温度tw基础计算：定性温度tm进口温度下空气密度ρt1=1.27定性温度下空气物性：ρm=1.23kg/m3，cpm=1005J/kg·℃，λm=0.0274体积流量计算：Vt1=0.65×2.27×10平均体积流量Vm=13.97×273+38.95平均流速计算：um=15.16传热速率计算：Qi平均温度差计算：Δt对流传热系数计算：αi=237准数计算：Nu=52×0.02Re=0.02×13.4×1.23NulgRe=4.19，lg线性回归：对5-6组数据的lgRe和lgNu'进行线性回归，得到拟合方程lgNu'（四）数据处理结果表格表3普通管换热器数据处理结果表格序号ReNuPrNlglg123456线性回归斜率m=截距lgA=关联式：Nu=表4强化管换热器数据处理结果表格序号RNPNlglg强化比η=N123456线性回归斜率m=截距lgB=关联式：N（五）图表绘制准数关联图：分别绘制普通管和强化管的lgNu'传热系数对比图：以雷诺数Re为横坐标，对流传热系数α为纵坐标，绘制普通管与强化管的α−Re关系曲线，对比传热性能；强化比变化图：以雷诺数Re为横坐标，强化比η为纵坐标，绘制η−Re关系曲线，分析流量对强化效果的影响。九、实验结果与讨论（一）实验结果分析对流传热系数与雷诺数的关系：分析普通管与强化管的α−Re曲线，说明对流传热系数随雷诺数的变化规律（雷诺数增大，流体湍流程度增强，对流传热系数增大）；准数关联式的合理性：通过线性回归得到的关联式相关系数R2，评价实验数据的拟合程度，若R强化传热效果评价：根据强化比η的计算结果，分析螺旋线圈的强化传热效果（η>1表明强化有效），讨论雷诺数对强化比的影响（通常雷诺数增大，强化比略有变化，但整体保持稳定）；实验数据的可靠性：对比不同流量下的实验数据，检查是否存在异常值，分析误差来源（如热损失、温度测量误差、流量测量误差等）。（二）讨论与思考影响对流传热系数的因素有哪些？本实验中主要通过改变什么参数来影响对流传热系数？为什么实验中可以认为αi螺旋线圈强化传热的机理是什么？除了内插螺旋线圈，还有哪些常见的强化传热方式？实验过程中若存在热损失，会对实验结果（如对流传热系数、准数关联式）产生什么影响？如何减小热损失？对比普通管与强化管的准数关联式，分析强化管的A值与普通管的差异，说明其物理意义。若要综合评价强化传热技术的经济性，仅考虑强化比是否足够？还需要考虑哪些因素？十、实验误差分析（一）系统误差热损失误差：实验过程中换热器向环境散热，导致热量衡算不平衡，测得的传热速率Qi偏小，进而使对流传热系数α物性参数误差：空气的物性参数（ρ、cp、λ、μ测量仪表误差：温度巡检仪、压差变送器等仪器存在系统误差，导致温度、压差测量值不准确；假设条件误差：实验中假设壁面温度等于蒸汽温度、忽略管壁热阻等，与实际情况存在偏差，引入误差。（二）随机误差流量波动误差：旋涡气泵的出口压力波动、阀门调节精度限制等导致空气流量不稳定，影响实验数据的重复性；温度波动误差：环境温度变化、蒸汽发生器加热功率波动等导致流体温度、壁面温度出现小幅波动；操作误差：实验人员在调节阀门、记录数据时的操作不一致，导致数据偏差。（三）误差减小措施减小热损失：对换热器外壳进行保温处理，缩短实验时间，减少散热；提高测量精度：选用精度更高的测量仪表，定期校准仪器；实验前对仪表进行预热，待显示稳定后再测量；稳定操作条件：调节流量时动作缓慢，每次改变流量后稳定足够时间；保持加热电压稳定，避免蒸汽产生量波动；多次测量取平均值：对每组流量下的数据进行多次测量，取平均值，减小随机误差；优化数据处理：采用更精确的物性参数计算方法（如多项式拟合），提高物性参数的准确性。十一、实验结论本实验成功测定了普通光滑管与内插螺旋线圈强化管在不同空气流量下的对流传热系数，验证了对流传热系数随雷诺数增大而增大的规律；通过线性回归分析，建立了普通管的准数关