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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
15、-2.49Kpa1.20Kpa-1.27Kpa0.55Kpa-0.59KpaBmBmBm175v0.05780.7590.03680.8040.02850.830 通过表3-7不同空气初始流量下设备A-强化管准数关联式B，m值与装置A-光滑管强制对流的简化准数关联式为Nu=0.02730Re0.778中B，m值比较，设备A-强化管空气初始流量宜0.55Kpa-0.59Kpa。表3-8是设备A-强化管空气初始流量0.55Kpa-0.59Kpa，空气出口热电阻插入深度5厘米，4厘米，3.5厘米，3厘米，2.5厘米，2厘米，以下是测验时的实测数据。表3-8设备A-强化管在不同加压电压不同热电偶位置的
16、准数关联式B，m值 5厘米4.5厘米4厘米3.5厘米3厘米2.5厘米2厘米BmBmBmBmBmBmBm165v 0.02980.8250.03090.8160.04260.7850.04840.7680.04260.07850.06090.7460.03730.799170v0.02910.8280.02730.8290.03240.8150.03110.8190.03240.08150.03870.7960.02960.824175v0.02850.8300.02460.8400.02960.8250.02840.8290.02960.8250.02950.8250.03460.808180
17、v0.02950.8260.02430.8420.02770.8320.02590.8390.02770.832/由表3-8通过比较准数关联式B，m值与装置A-光滑管强制对流的简化准数关联式为Nu=0.02730Re0.778中B，m值得出加热电压在180v，空气出口处热电偶插入深度为4.5厘米时强化效果最好。因此，实验测出设备A-强化管最佳的工作条件：空气初始流量0.55Kpa-0.59Kpa，加热电压180v,， 出口处热电阻插入深度为4.5厘米，表3-9是详细数据。表3-9设备A-强化管测试适宜工作条件部分实验数据由表3-9数据和电脑程序得出A-强化管传热准数关联式LgNu-LgRe直线
18、式，如图2-3 图3-3设备A-强化管准数关联图由图3-3得出A-强化管传热准数关联式为Nu=0.02591Re0.8393和光滑管的Nu=0.01994Re0.8比较，传热得到了强化。3.3实验装置B-光滑管装置B的测试与装置A的测试大体相同，差别为空气初始流量的分为4个流量范围，同样的出口处热电阻插入深度为5厘米，而加热电压165v到180v，装置B光滑管整理出的数据如下：表3-10 装置B-光滑管不同初始流量不同的加热电压下的B，m值 初始流量加热电压流量（最大）4.12Kpa-4.16Kpa流量2.04Kpa-2.08Kpa流量0.94Kpa-0.96Kpa流量0.64Kpa_0.68
19、KpaBmBmBmBm165V0.048100.71040.051160.71150.036580.73710.032290.7500170v0.052540.70260.040520.72100.038570.73200.032570.7495175v0.051250.70420.041610.72330.037090.73640.032200.7510180v0.050360.70590.043060.72650.038920.73160.032150.7515 从表3-10数据通过比较B，m值，装置B-光滑管在加热电压165v到180v之间时空气初始流量为0.64Kpa_0.68Kpa时
20、B，m值更接近文献值，实验时装置B-光滑管将选取照空气初始流量0.64Kpa_0.68Kpa，加热电压为165V到180V之间测定，空气出口处热电阻插入深度分别为5厘米， 4.5厘米，4厘米，3厘米处测定，表3-11是实测的数据。 表3-11不同加热电压、不同热电阻位置装置B-光滑管准数关联式B，m值 165v170v175v180vBmBmBmBm5厘米0.04810.7100.05250.7020.05120.7040.05030.7054.5厘米0.05340.6980.04290.7210.03820.7340.04100.07264厘米0.05220.7010.03760.7360.
21、03990.7300.03650.7393厘米0.04940.7080.03770.7370.03560.7430.03720.7394.25厘米0.03490.7320.03190.7520.03270.7490.03410.745从表3-11可以看出，空气出口处热电阻插入深度5厘米到4.5厘米间的线性准数关联式接近文献值，而空气出口处热电阻插入深度为4.25厘米测定，加热电压170V ，结果更为接近。 由此测出装置B-光滑管的最佳工作条件：加热电压170v，空气初始流量0.64Kpa_0.68Kpa，空气出口处热电阻为为4.25厘米，下表3-12是详细实测数据。 表3-12 装置B-光滑管
22、的测试适宜工作条件部分实验数据 由表3-12数据和电脑程序得出装置B-光滑管传热准数关联式LgNu-LgRe直线式。 图3-4装置B-光滑管准数关联图由表3-4得出装置B光滑管的准数关联式为Nu=0.0319Re0.752，为了更好的与文献值进行比较，Re的幂指数指定为0.8重新计算Nu=BRe0. 8形式的系数B的变化情况，表3-13是Re取0.8次方的修改后的数据。 表3-13装置B-光滑管 LgNu-LgRe0.8数据 Re0.82887.092782.7252671.3542554.4222428.16222296.2632194.3852661.8731946.0071819.453
23、Nu50.0848.1946.0344.2642.2839.8938.8436.3534.3932.36LgRe0.3.4603.4443.4263.4073.3853.3603.3413.3143.2893.259LgNu1.6991.6821.6641.6461.6261.6001.5841.5601.5361.510图3-6是从表3-13数据回归线性LgNu-LgRe0.8关联图。 图3-5装置B-光滑管准数关联式表3-5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=
24、LgRe0.8-1.700，由此截距固定为-1.700，由图3-2得出的装置A光滑管煮熟关联式为LgNu=0.982LgRe0.8-1.700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98.2%。3.4装置B-强化管强化管的空气初始流量的同样也设为4个范围：2.55Kpa-2.57Kpa（最大流量），1.17Kpa-1.19Kpa，0.57Kpa-0.59Kpa，0.38Kpa-0.40Kpa，从加热电压为175V，空气出口处热电阻插入位置为5厘米窗外出的数据如下表：表3-14装置B-强化管不同空气初始流量下的准数关联式B，m值 流量加热电压2.55-2
25、.5Kpa1.17-1.19Kpa0.57-0.59Kpa0.38-0.40KpaBmBmBmBm175v0.05120.7630.04600.7730.03870.7910.03050.816由表3-14比较装置B-强化管不同空气初始流量下的准数关联式B，m值，知道装置B-强化管在加热电压175V左右时，初始流量宜选择0.38-0.40Kpa。表3-15是装置B-强化管加压电压为165v-180V时，空气初始流量为0.38-0.40Kpa，空气出口处热电阻插入深度为5.0厘米，4.5厘米，4厘米，3厘米，以下是详细测定数据：表3-15不同加热电压、不同热电阻位置 装置B-强化管准数关联式B，
26、m值 厘米电压/v54.543BmBmBmBm1650.03750.7920.04840.7660.04710.7680.07740.7131700.03170.8120.03770.7940.03490.8020.03930.7881750.03050.8160.03440.8040.03220.8110.03760.7931800.03010.8180.03390.8060.03530.8010.03460.803从表3-15通过与装置B光滑管的准数关联式为Nu=0.0319Re0.752的B，m值比较不同加热电压、不同热电阻位置 装置B-强化管准数关联式B，m值可以看出加热电压为180V
27、，出口处热电阻插入深度为5厘米时，强化效果最好。因此，实验测出装置B-强化管最佳的工作条件：加热电压180v，空气初始流量0.38-0.40Kpa，空气出口处热电阻位置为5厘米，详细数据如下表3-16装置B-强化管测试适宜工作条件部分实验数据由表3-16数据和电脑程序得出光滑管传热准数关联式LgNu-LgRe直线式 图3-6装置B-强化管准数关联图由图3-6知道装置B-强化管的准数关联式为Nu=0.03011Re0.8183与光滑管准数关联式Nu=0.01994Re0.8比较，装置B-强化管的螺旋线圈强化传热得到加强。此外，在整理装置B-强化管数据的时，把Re的幂指数固定为0.8，算出装置B-
28、强化管准数关联式B的值，得到以下的数据： 表3-19 空气初始流量为0.38-0.40KpaNu- Re0.8准数关联式B、m值 厘米加压电压54.543BmBmBmBm165v0.0300.80.0300.80.0300.80.0290.8170v0.0310.80.0310.80.0310.80.0300.8175v0.0310.80.0310.80.0310.80.0300.8180v0.0310.80.0310.80.0310.80.0300.8由表3-19可以看出，通过把Re的幂指数固定为0.8后，B值在加压电压165到170V之间变化不大，热电阻插入深度5.0厘米到到3厘米间，可以
29、粗略的认为加热电压，热电阻位置对实验结果没多大影响。四、实验结果讨论装置A-光滑管准数关联式Nu=0.02730Re0.778，整理过的准数关联式LgNu=0.994LgRe0.8-1.700。在最合适的工作条件：加热电压是175v，空气初始流量1.12Kpa-1.14Kpa，空气出口处热电偶插入深度0.25厘米的时候吻合度达到99.4%。设备A-强化管准数关联式Nu=0.02591Re0.839，最合适的工作条件：空气初始流量0.55Kpa-0.59Kpa，加热电压180v,， 出口处热电偶插入深度为4.5厘米，强化效果最好。 设备B-光滑管准数关联式Nu=0.03192Re0.752，整理
30、后的准数关联式为LgNu=0.982LgRe0.8-1.700。在最合适的工作条件：加热电压170v，空气流量0.64Kpa_0.68Kpa，空气出口处热电偶为为4.25厘米的时候吻合度达到98.2%。设备B-强化管准数关联式Nu=0.03192Re0.752，最合适的工作条件：加热电压180v，空气初始流量0.38-0.40Kpa，空气出口处热电偶位置为5厘米，强化效果最好。 从设备A和设备B数据，看出影响传热膜系数的主要因素有加热电压，空气初始流量，空气出口处热电偶插入深度等等，除了上述因素还可能的因素包括蒸汽的湍流状态、空气的大气压等等。本文粗略地进行了数据处理，得出装置A光滑管最佳工作
31、条件：加压电压175V，装置B光滑管的加热电压为170V，强化管装置A、B的加热电压都是180V，出口处热电阻插入深度随着装置A与装置B不尽相同。而空气初始流量都是在偏小，数据更接近文献值。此外本文测量的加压电压为165V-185V之间，在此之外的加热电压和相应的初始流量没有测量，这是本文的一个缺陷。 电脑程序测出数据表明在空气初始流量合适的条件下，加热电压，热电阻插入深度对准数关联式的系数、指数偏移最大，而用电子表格通过固定Re的幂指数为0.8后，所有的测试实验数据处理结果应该与公认的简化关联式的误差在可接受的范围之内。 此外，热电阻插入深度影响关联式B、m的偏离原因是在于本来换热管的长度是
32、固定1.2m的，测量出口温度的热电阻端头应该刚好位于换热管1.2m处，热电阻装到换热器上，端头位置或多或少偏离1.2m的位置，这就是把热电阻的插入深度列入影响关联式B、m偏离程度的一个因素的原因。还有，实验的测定中螺旋线圈在强化传热比光滑管传热效果加强了。这是因为在加热压力相同，同型号风机，空气流量可视为相同时，由于螺旋线圈可增强空气的湍流程度，且有破坏换热管内滞留底层的作用，使管内流体提高流动速度或产生扰动，提高管内传热膜系数，故螺旋线圈强化传热比光滑管传热传热效果。五、参考文献1 数字化传热实验装置说明书，天津基础化学实验中心.23 刘国维，刘禾，张文.螺旋扭带强化管内的流动沸腾传热.天津
33、：天津大学学报，1997.4 黄功浩等插入物强化管内单相流体传热的研究化工学报1983，34(1) 22355 徐文熙，穆文值化工原理(上册)北京：中国石化出版社，1994：1536 崔恩选化学工艺学(第2版)北京：高等教育出版社，l990：427叶丽娟等.对流传热系数专属关联式的探讨. 郴州师范高等专科学校学报.2000：68-708 周光辉，张定才R134a在水平强化管外凝结传热的实验研究EJJ制冷学报，2006，27(6)：25289 廖强，辛明道水平冷凝强化传热管的传热性能J重庆大学学报，1996，19(1)：6873 致谢 首先这篇论文的完成，需要感谢我的指导老师罗祖帖老师的指导，实验的测试方案都是在老师的指导下完成，还有罗老师对论文的修改意见，使得论文能很好的完成，另外还要感谢陈勇老师在我做传热装置时候给予的大力帮助，由衷的感谢老师们对我的指导与帮助。17