CN102110387B - 测量微管对流传热系数的教学实验装置 - Google Patents

测量微管对流传热系数的教学实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量微管对流传热系数的教学实验装置。它包括相连的真空绝热腔、功率可调型加热单元、数据采集卡和计算机。绝缘密封接线面板通过螺栓与不锈钢外腔体连接，接线端子固定在绝缘密封接线面板上，金属两通接头一侧与微米级金属管连接，利用金属两通接头内安装氟橡胶垫圈固定，金属两通接头另一侧与混合腔连接，流体进出口管道一端与混合腔连接，流体进出口管道另一端通过紧固件与绝缘密封接线面板连接，混合腔上端安装Pt100测温探头，混合腔下端安装压力传感器，50μm热电偶连接在微米级金属管的外壁。本发明设备针对教学实验用途，具有成本低，操作简单，稳定性高等优点，所有操作及数据采集处理通过计算机完成，可以实现远程教学。

Description

测量微管对流传热系数的教学实验装置
技术领域
本发明涉及测量对流传热系数领域，尤其涉及一种测量微管对流传热系数的教学实验装置。
背景技术
化工工业中，很多过程和单元操作都需要传热，而对流传热应用最为普遍，是化工中传热计算的基础，也是探索强化或削弱传热的重要途径。工程中的对流传热是流体流过固体表面时发生的对流和传导联合作用的传热过程，对流传热系数反映了流体与固体表面的换热能力，其物理意义为当流体与固体表面之间的温度差为1K时，单位壁面面积在单位时间所能传递的热量，单位为W/(m2K)。对于化工类专业学生，了解和掌握流体对流传热系数的测定方法，对于加深其传热单元操作的理解具有重要的意义。
近年来，随着微化工技术的发展，微管道对流传热的研究引起了越来越多研究人员的关注，微管道对流传热的研究为微型传热设备、微型反应器、微型热泵的设计和开发提供了重要的冷模实验数据。特别是对于强放热微管道反应器的开发，提高其反应安全性、优化其反应路线等有着至关重要的作用。然而由于金属微管道尺寸通常只有百微米级，实验需要在绝热条件下进行等原因，流体温度测量和管道线路的连接存在着许多困难，研究人员提出过采用云母带和绝热海绵包裹微管道绝热的方法，但是在更换测试管路时操作复杂，也提出过红外检测和热敏液晶等测量温度的方法，但对于设备的要求较高，投入也较大。
目前为止，实验室使用的对流传热系数测定设备主要针对于常规管径（内径大于1mm），针对教学实验用途，操作简单、成本低、稳定性高的测量微尺度下对流传热系数的实验装置还没有报道。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种测量微管对流传热系数的教学实验装置。 
测量微管对流传热系数的教学实验装置包括相连的真空绝热腔、功率可调型加热单元、数据采集卡和计算机，其中真空绝热腔包括不锈钢外腔体、腔体压力检测口、抽气口、绝缘密封接线面板、螺栓、紧固件、O型圈、接线端子、进出口管道、混合腔、金属两通接头、氟橡胶垫圈、微米级金属管、50μm热电偶、Pt100测温探头、压力传感器、加热导线；不锈钢外腔体设有腔体压力检测口和抽气口，绝缘密封接线面板通过螺栓与不锈钢外腔体连接，接线端子固定在绝缘密封接线面板上，金属两通接头一侧与微米级金属管连接，利用金属两通接头内安装氟橡胶垫圈固定，金属两通接头另一侧与混合腔连接，流体进出口管道一端与混合腔连接，流体进出口管道另一端通过紧固件与绝缘密封接线面板连接，在紧固件与流体进出口管道连接处设有O形圈，混合腔上端安装Pt100测温探头，混合腔下端安装压力传感器，50μm热电偶和加热导线连接在微米级金属管的外壁，所有导线通过接线端子引出不锈钢外腔体。
所述的功率可调型加热单元包括恒流加热源、RS232协议模块和计算机；恒流加热源与RS232协议模块连接，RS232协议模块与计算机连接。所述的微米级金属管采用功率可调型加热单元加热。
本发明针对的微管对流热系数测量的难点，结合教学需要，采用绝缘密封接线面板，可以保证在抽真空状态下导线的正常连接；提出了利用混合腔连接微管，保证微管道易拆卸，无损坏，流体可以在微小腔体内实现充分混合，热电阻及压力传感器可以与混合腔连接，测定流体进出口温度及进出口压力，非侵入式测量不会对微管道的流动传热产生影响；璧面温度采用50μm热电偶测量，响应速度快，拆装简单，成本低；通过功率可调型加热单元对微管输入能量，通过RS232协议模块与计算机连接，由计算机控制功率输出大小、时间、方式，可以实现远程教学。
附图说明
图1是测量微管对流传热系数的教学实验装置的结构示意图；
图2是测量微管对流传热系数的教学实验装置沿管线方向的剖面图；
图3是测量微管对流传热系数的教学实验装置沿管截面方向的剖面图。
具体实施方式
如图所示，测量微管对流传热系数的教学实验装置包括相连的真空绝热腔、功率可调型加热单元、数据采集卡和计算机，其中真空绝热腔包括不锈钢外腔体1、腔体压力检测口2、抽气口3、绝缘密封接线面板4、螺栓5、紧固件6、O型圈7、接线端子8、进出口管道9、混合腔10、金属两通接头11、氟橡胶垫圈12、微米级金属管13、50μm热电偶14、Pt100测温探头15、压力传感器16、加热导线17；不锈钢外腔体1设有腔体压力检测口2和抽气口3，绝缘密封接线面板4通过螺栓5与不锈钢外腔体1连接，接线端子8固定在绝缘密封接线面板4上，金属两通接头11一侧与微米级金属管13连接，利用金属两通接头11内安装氟橡胶垫圈12固定，金属两通接头11另一侧与混合腔10连接，流体进出口管道9一端与混合腔10连接，流体进出口管道9另一端通过紧固件5与绝缘密封接线面板4连接，在紧固件5与流体进出口管道9连接处设有O形圈7，混合腔10上端安装Pt100测温探头15，混合腔10下端安装压力传感器16，50μm热电偶14和加热导线17连接在微米级金属管13的外壁，所有导线通过接线端子8引出不锈钢外腔体1。
所述的功率可调型加热单元包括恒流加热源、RS232协议模块和计算机；恒流加热源与RS232协议模块连接，RS232协议模块与计算机连接。所述的微米级金属管13采用功率可调型加热单元加热。所述的真空绝热腔采用抽真空方法消除微米级金属管13与环境传热。
测量微管对流传热系数的教学实验装置，其数据处理方法如下：
根据进出口Pt100测温探头读数，可以计算输入功率，公式为：
Figure 2011100283632100002DEST_PATH_IMAGE002
                                                （1）
其中
Figure 2011100283632100002DEST_PATH_IMAGE004
为输入功率，
Figure 2011100283632100002DEST_PATH_IMAGE006
为质量流量，
Figure 2011100283632100002DEST_PATH_IMAGE008
为流体比热容，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure DEST_PATH_IMAGE012
分别为流体进出口温度。
因此,可以得到微管道单位面积的功率为： 
Figure DEST_PATH_IMAGE014
                                                     （2）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为微管道单位面积的输入功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为微管道内径，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为微管道加热段长度。
局部外壁面温度由50μm热电偶测得，由于局部内壁面温度不易测量，我们采用一维热传导假设，可以得到局部内部面温度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
                                  （3）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为局部内壁面温度，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为局部外壁面温度，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为微管道单位体积输入功率，为微管道材料导热系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为微管道外径。
局部流体温度可以通过能量守恒方程得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE034
                                            （4）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为局部流体温度，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为轴向长度。 
由公式（2）、（3）、（4）可以得到单位面积的输入功率、局部内璧面温度和局部流体温度，根据对流传热系数的定义，可以计算得到微管道局部对流传热系数：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
                                                    （5）
目前已针对去离子水、环己烷、正己烷、环己酮、乙酸乙酯、乙醇水溶液、无水乙醇、环戊烷等九个体系在内径为0.342、0.562、1.04mm的水平不锈钢管道上进行了实验，利用本发明所提到的装置和方法，已对雷诺数55-333的情况进行了测试，取得了良好的效果。
本发明的工作过程如下：
（1）实验开始前，使用真空泵对真空绝热腔抽真空，当腔体压力检测器示数小于100Pa后，开始通入流体。被测流体流速由注射泵控制，通过调节恒温水浴槽控制流体进口温度恒定。
（2）当进出口流体温度稳定后，打开功率可调型加热单元，通过计算机内自编的微管对流传热实验教学软件设定输入电流、输入时间，璧面温度、流体进出口温度、流体进出口压力、腔体内压力可以在软件中实时读取。
（3）通过观察出口Pt100测温探头数据确定实验终点，当温度变化小于0.1℃/15min后，可认为系统达到稳定。读取稳定后10分钟内流体进出口温度及璧面温度，根据本专利上述的数据处理方法即可得到被测流体的对流传热系数。

Claims (3)

1.一种测量微管对流传热系数的教学实验装置，其特征在于包括真空绝热腔、功率可调型加热单元、数据采集卡和计算机，功率可调型加热单元、真空绝热腔、数据采集卡、计算机顺次相连，计算机与功率可调型加热单元相连，其中真空绝热腔包括不锈钢外腔体(1)、腔体压力检测口(2)、抽气口(3)、绝缘密封接线面板(4)、螺栓(5)、紧固件(6)、O型圈(7)、接线端子(8)、流体进出口管道(9)、混合腔(10)、金属两通接头(11)、氟橡胶垫圈(12)、微米级金属管(13)、50μm热电偶(14)、Pt100测温探头(15)、压力传感器(16)、加热导线(17)；不锈钢外腔体(1)设有腔体压力检测口(2)和抽气口(3)，绝缘密封接线面板(4)通过螺栓(5)与不锈钢外腔体(1)连接，接线端子(8)固定在绝缘密封接线面板(4)上，金属两通接头(11)一侧与微米级金属管(13)连接，利用金属两通接头(11)内安装氟橡胶垫圈(12)固定，金属两通接头(11)另一侧与混合腔(10)连接，流体进出口管道(9)一端与混合腔(10)连接，流体进出口管道(9)另一端通过紧固件(6)与绝缘密封接线面板(4)连接，在紧固件(6)与流体进出口管道(9)连接处设有O型圈(7)，混合腔(10)上端安装Pt100测温探头(15)，混合腔(10)下端安装压力传感器(16)，50μm热电偶(14)和加热导线(17)连接在微米级金属管(13)的外壁，所有导线通过接线端子(8)引出不锈钢外腔体(1)。
2.根据权利要求1所述的一种测量微管对流传热系数的教学实验装置，其特征在于所述的功率可调型加热单元包括恒流加热源、RS232协议模块；恒流加热源与RS232协议模块连接，RS232协议模块与计算机连接。
3.根据权利要求1所述的一种测量微管对流传热系数的教学实验装置，其特征在于所述的微米级金属管(13)采用功率可调型加热单元加热。
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