CN204314246U - 一种传热系数测定实验装置 - Google Patents

Abstract

一种传热系数测定实验装置，包括加热系统、换热系统、泵系统和支架，加热系统包括全自动蒸汽发生器，其上面设有温度、压力显示仪表、变送器，变送器、数据采集分析仪、计算机顺次电连接，其侧面设有开关控制器，侧面上下接有两根管子，分别连接安全阀和换热系统的总管路；换热系统总管路的后端连接17个球阀，17个球阀与17根管路分别连接，管路通过疏水阀连接17根玻璃管，玻璃管通过球阀与液体收集器连接；泵系统包括电机和离心泵，离心泵的入口与液体收集器连接，出口连接模拟换热器的壳程和管束的壳程入口，模拟换热器和管束的壳程出口用于将换热水排出，适用于传热学实验教学，所测试蒸汽的流量、温度更稳定，自动化程度高、实验结果精确。

Description

一种传热系数测定实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种实验装置，特别涉及一种传热系数测定实验装置。

背景技术

目前，在学校的传热学教学实验中，基本上都是通过老师的讲解，学生根据实验指导书根据预先安装好的实验装置及仪器，对实验现象进行观察，记录数据并完成报告。此外，目前的传热学实验设备还处于传统的框架中，管和板的放置形式都是固定的，不能方便而灵活地进行设计性实验，而且均通过繁琐的测量形式有诸多电子仪表的组合来实现，学生花费大量的时间在繁琐的数据处理上面，且实验结果不够精确。这样的实验装置不具有开发设计性实验的功能，不能实现测量手段的模块化、智能化以及设备一体化，在实验过程中耗时费力，大量时间精力用于简单而繁琐的仪表操作训练。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提出一种传热系数测定实验装置，能够适用于传热学实验教学，所测试蒸汽的流量、温度更稳定，实验结果快速、省人力，具有自动化程度高、实验结果精确的特点。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种传热系数测定实验装置，包括加热系统、换热系统、泵系统和支架4，所述加热系统包括全自动蒸汽发生器8，用以产生过热蒸汽，全自动蒸汽发生器8上面设有温度显示仪表7、压力显示仪表5、变送器6，温度显示仪表7和压力显示仪表5通过热电偶连接在自动蒸汽发生器8上，变送器6与数据采集分析仪连接，数据采集分析仪与计算机电连接，全自动蒸汽发生器8的侧面设有开关控制器10，开关控制器10与全自动蒸汽发生器8内的电加热管相连；全自动蒸汽发生器8侧面上下分别接有两根管子，上面的管子连接安全阀13，下面的管子连接到换热系统的总管路；

换热系统总管路的后端连接17个球阀16，17个球阀16与并排水平排列在支架4上的17根管路17分别连接，在管路17的正下方设有离心式通风机2，离心式通风机2连接有直联电动机18，管路17分别连接有疏水阀3，疏水阀3下端与17根玻璃管1相连接，玻璃管1并排竖直排列固定在支架4上，玻璃管1通过球阀16与其正下方的液体收集器11连接；

泵系统由位于支架4后方的电机14和离心泵15组成，电机14的输出通过联轴器和轴承传递至离心泵15，为其提供动力，离心泵15的入口与液体收集器11相连接，离心泵15的出口连接模拟换热器的壳程和管束的壳程入口，模拟换热器和管束的壳程出口用于将换热水排出。

所述疏水阀3采用热动力式疏水阀。

所述支架4底端设有滚轮9，数量为四个。

所述全自动蒸汽发生器8侧面下面所接的管子通过截止阀12连接到换热系统的总管路。

所述全自动蒸汽发生器8侧面上面所接的管子通过活接头连接安全阀13。

所述管路17包含17根管路，按照从左向右的顺序编为号，其中号管子在材料、公称直径、长度、壁厚、表面结构形式方面不完全相同，号管子为顺流换热，号管子为逆流换热，号管束的排列方式为顺排，号管束的排列方式为叉排。

所述离心泵15的出口通过钢管、连接弯头、4个球阀16和4根软管与管路17中模拟换热器和管束号管子的入口连接。

本实用新型的有益效果：

1.本实验装置采用并联实验装置，使过热蒸汽同时进入各个管道，收集冷凝后的凝结水来计算流量，计算机在实验装置中的应用，使实验结果更精确、快速，节省人力，而且对于验证性试验的结果更加趋于理论结果，更好地达到实验的目的，自动化程度高，蒸汽的流量、温度更稳定，实验结果更真实有效。

2.数据采集分析仪的采用使得学生不必花大量时间在数据处理上面，从而能够更多关注实验的过程以及现象，分析现象出现的原因，能适用于传热学实验教学，有助于激发学生对实验的兴趣，增强学生动手能力和对课程的理解的多样化多项传热学实验。

附图说明

图1为本实用新型主视图。

图2为本实用新型俯视图。

图3为无缝钢管结构示意图，其中(a)为无缝钢管主视图，(b)为无缝钢管侧视图。

图4为不同保温层管子结构示意图。

图5为星型翅片管子结构示意图，其中(a)为星型翅片管子侧视图，(b)为星型翅片管子侧视图。

图6为螺旋翅片管子的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

参见图1、图2，一种传热系数测定实验装置，包括加热系统、换热系统、泵系统和支架4，所述加热系统包括全自动蒸汽发生器8，用以产生过热蒸汽，全自动蒸汽发生器8上面设有温度显示仪表7、压力显示仪表5、变送器6，温度显示仪表7和压力显示仪表5通过热电偶连接在自动蒸汽发生器8上，变送器6与数据采集分析仪连接，数据采集分析仪与计算机电连接，全自动蒸汽发生器8的侧面设有开关控制器10，开关控制器10与全自动蒸汽发生器8内的电加热管相连；全自动蒸汽发生器8侧面上下分别接有两根管子，上面的管子连接安全阀13，下面的管子连接到换热系统的总管路；

换热系统总管路的后端连接17个球阀16，17个球阀16与并排水平排列在支架4上的17根管路17分别连接，在管路17的正下方设有离心式通风机2，离心式通风机2连接有直联电动机18，管路17分别连接有疏水阀3，疏水阀3下端与17根玻璃管1相连接，玻璃管1并排竖直排列固定在支架4上，玻璃管1通过球阀16与其正下方的液体收集器11连接；

泵系统由位于支架4后方的电机14和离心泵15组成，电机14的输出通过联轴器和轴承传递至离心泵15，为其提供动力，离心泵15的入口与液体收集器11相连接，离心泵15的出口通过钢管、连接弯头、4个球阀16和4根软管与管路17中模拟换热器和管束号管子的入口相连，模拟换热器和管束的出口用于将换热水排出。

所述离心式通风机2主要是为了改善传热条件，选择4-68离心通风机可作为一般通风换气。4－68型风机主要由叶轮、机壳、进风口、传动部分等部分配直联电动机18组成。风机的具体参数如下：外形尺寸为370mm×405mm×430mm，重量为22kg，转速为1450r/min，全压为313Pa，流量为2315m³/h，内效率为82.5％，内功率为0.24KW，所需功率为0.36KW。

根据离心通风机2选择直联电机18的型号为Y801-4。

所述疏水阀3采用热动力式疏水阀，型号选择为CS41H-16C-B型热动力疏水阀，其具体参数为：公称压力为PN1.6MPa，公称通径为DN25mm，重量为18.2kg，阀体材料为铸铁，适合温度为<350℃，适合蒸汽、凝结水等介质。疏水阀3位于玻璃管1正上方，疏水阀3与玻璃管1的连接管子通过45号钢、尺寸为85mm×10mm管子固件将其固定在支架4上。疏水阀3适合于蒸汽供热设备和管道上，用于自动排出凝结水、空气及其他不凝性气体，并阻止蒸汽的漏失。

所述支架4的外形尺寸为4000mm×1500mm×1578mm，材质为20号钢。支架4各个部分的使用M16×50的螺栓，16的垫圈以及M16的螺母进行固定。

所述支架4底端设有滚轮9，数量为四个，滚轮9的参数为DN120×4。

所述全自动蒸器发生器8是一种采用燃油或者管状电热管直接加热水而连续产生一定压力蒸汽的微小型移动式蒸汽炉。其参数为：额定功率18KW，额定压力0.5MPa，额定温度150℃，外形尺寸为620mm×550mm×1350mm，容量80kg-82kg，给水泵电机功率550W，安全阀口径DN40mm,锅炉水容积28L。

所述全自动蒸汽发生器8侧面下面所接的管子通过截止阀12连接到换热系统的总管路。截止阀12与全自动蒸汽发生器8是通过一个直径为25mm，材料为20钢的活接头进行连接。

所述开关控制器10的外形尺寸为140mm×140mm×490mm。

截止阀12是关闭件沿阀座中心线移动的阀门，它在管道上起切断的作用。主管路与各个分管路17的连接管子通过45号钢，尺寸为85mm×10mm管子固件将其固定在支架4上。

截止阀12的型号选择J11T-16，具体参数为：公称压力为PN1.6MPa，公称通径为DN15mm，重量为2kg，阀体材料为铸铁，适合温度<200℃，适合水、蒸汽等介质。

所述全自动蒸汽发生器8侧面上面所接的管子通过活接头连接安全阀13。在全自动蒸汽发生器8与安全阀13以及主管路连接管道上的弯折部分都使用材料为20号钢，公称压力为Pg＝100kgf/cm的钢制弯头进行连接，共6个。

所述离心泵15通过钢管、连接弯头、4个球阀16和4根软管与管路17中模拟换热器和管束号管子的入口连接，钢管的弯折部分都使用20号钢、公称压力为Pg＝100kgf/cm的钢制弯头进行连接，共3个。选择泵的型号为FS离心泵。根据离心泵要求电机14的型号为90L。

所述球阀16在管道上主要用于切断、分配过热蒸汽流动方向，能够控制蒸汽均匀进入各个通道。在蒸汽进入各个管道17前与玻璃管凝结水收集后排出都通过球阀16控制管路的通断。所述球阀16的型号选择为Q11F-16C型球阀，其具体参数为：公称压力为PN1.6MPa，公称通径为DN15mm，重量为2kg，阀体材料为碳钢，适合温度<150℃，适合水、油品等介质。

所述管路17包含17根管路，实验时可以选取其中几根管路进行传热系数的测定及对比，17根管路按照从左向右的顺序编为号，以下是各个管路的材料及结构：

参加图3，①-⑤号管路为无缝钢管，材料为铸铁，公称直径D相同，D＝25mm，管子长度L相同，L＝900mm，但是壁厚δ不同，通过不同壁厚δ来分析对传热系数的影响，壁厚δ分别为：①号δ₁＝2.5mm、②号δ₂＝3mm、③号δ₃＝3.5mm、④号δ₄＝4mm、⑤号δ₅＝5mm。

参见图4，第⑥、⑦、⑧、⑨、⑩、号管子公称直径、壁厚以及管子长度都与①号管子相同，直径为25mm、壁厚为2.5mm，管子长度为900mm，⑥、⑦号管子与①号管子区别在于材料不同，通过不同材料来分析对传热系数的影响，⑥号管子所用材料是铜，⑦号管子所用材料为铝；⑧、⑨号管子通过不同的保温材料来分析不同材料组合对传热系数的影响，采用铸铁为材料，但是使用不同的保温材料进行保温，保温层厚度为20mm，保温层长度为900mm，⑧号管子采用的保温材料为锯末，⑨号管子采用的保温材料为棉花；⑩、号管子通过改变表面结构形式来分析对传热系数的影响，采用铸铁为材料，但是表面结构形式不同，⑩号管子为星型翅片结构形式，参见图5，管子的长度L＝900mm，翅片的高度h＝20mm,翅片的宽度δ＝1mm，管子的外径D＝65mm，内径为d＝25mm，号管子为螺旋翅片结构形式，参见图6，螺距h＝5mm，管子的外径D＝65mm，内径为d＝25mm，管子的长度L＝900mm。号管子表面涂料不同，通过不同涂料来分析对传热系数的影响，号管子表面涂白漆，号管子表面涂黑炭。

号管子为模拟换热部分，管程通蒸汽，壳程通冷却水，通过冷却水的流动形式来分析对传热系数的影响，壳程管子外径为65mm，长度为900mm，号管子为顺流换热，号管子为逆流换热。

两组管束部分的设计主要为管子的排列方式不同，号管束的排列方式为顺排，管子间距离为1mm，共6排，24根；号管束的排列方式为叉排，管子间上下距离为1mm，左右距离为5mm，共24根。顺排中流体在较为平直的通道中流动，扰动较弱，对流换热系数小于叉排管束，其流阻也较小；叉排使流体在弯曲的通道中流动，流体扰动剧烈，同时流动阻力也较大，管子的规格，壁厚为3mm，直径为10mm，外管与封头通过使用M16×50的螺栓，16的垫圈以及M16的螺母进行固定。

所述数据采集分析仪由MCS51系列单片机为核心的智能控制器构成，它包括8路模拟量输入接口，其中6路热电偶，1路热电阻和1路0-5V直流电压输入端；8路A/D转换器；6路开关量输出端；一个EEPROM存储器；一个RS485接口以及电源和看门狗；还有装载在MCS51单片机上的加热控制程序和数据采集程序。

由安装在管壁上的热电偶，两个或三个一组并联，采用并联电阻进行信号平均处理，处理后的信号通过放大器进入数据采集分析仪内部的A/D转换器，通入MCS51单片机，MCS51单片机可以通过RS485接口完成单片机信号的输出和计算机信号的输入，RS485接口通过E820AUSB与1路RS-485/422接口转换器和计算机的USB接口连接，进而使用计算机控制数据采集分析仪，将测量结果显示在计算机上。

本实用新型的工作过程及原理是：

1.首先在实验前先将装置内气体进行置换，再预热。

将全自动蒸器发生器8通过开关控制器10开启，观察蒸汽发生器上的压力显示仪表5和温度显示仪表7，当压力显示仪表5达到0.4MPa且温度显示仪表7达到120℃后，将全自动蒸器发生器8侧面出口处的截止阀12开度开到1/3，在管路17中通入少量过热蒸汽排净实验装置里面的空气，并对各个管路17进行预热。

2.对普通管路和带保温层的管路进行实验。

17根玻璃管1与管路17出口端相接，且固定于支架4上，待玻璃管1中出现冷却水时，再将截止阀12的阀门开度全开。玻璃管1与端盖采用M4×20的螺栓，M4的螺母进行固定，共68组。

收集的凝结水主要是为了计算其流量，一般采用流量计或者玻璃容器收集装置。为了避免压力和流量的损失，采用玻璃管收集液体，减小了误差，同时为了是凝结水温度的稳定，可以在收集玻璃器中冷却一段时间再测温度。玻璃管1的直径为600mm，厚度为1mm，长度为900mm，为了增加玻璃管1的支撑强度，在每个玻璃管1的周围采用四根钢条支撑，钢条为实心的，直径为8mm。

3.由全自动蒸汽发生器8产生的过热蒸汽，通过截止阀12进入主管路，平均分向支架4上的17根水平放置的管路。使用主管路与各个管路17之间的球阀16可以控制对普通管路以及带保温层的管路进行实验。通过开启在不同结构水平放置的管路17下面的离心式通风机2，可以得出强制对流换热和自然对流换热两种效果对传热系数影响的结果。

4.对模拟换热管和管束进行实验。

当对模拟换热管和管束等水平放置的管路17进行换热时，在管路中通入过热蒸汽一段时间后形成冷凝水，让冷凝水流入液体收集器11。此时，电机14驱动离心泵15转动，离心泵15将液体收集器11中的冷凝水经过球阀16输送到模拟换热器的两个外管中，其中一部分在两个外管分别进行顺流和逆流的换热，另一部分液体输送到管束部分进行换热。

5.数据记录与处理。

蒸汽经过一定长度不同结构的管路17后，进入蒸汽疏水阀3，把蒸汽做功后产生的凝结水从装置中迅速排出，并阻止新鲜蒸汽泄漏，用玻璃管1收集冷凝水，并观测流量，过一段时间，等玻璃管1中有一定量的冷凝水以后，记录相同时间内冷凝水的体积，将热电偶与所测量管路相连，通过热电偶测量温度，接到数据采集分析仪，在计算机部分直接显示温度，再将流量输入计算机中，输入公式，直接在计算机中显示结果，通过比较各个传热系数，直接得出结论。

Claims (7)

1.一种传热系数测定实验装置，包括加热系统、换热系统、泵系统和支架(4)，其特征在于，所述加热系统包括全自动蒸汽发生器(8)，用以产生过热蒸汽，全自动蒸汽发生器(8)上面设有温度显示仪表(7)、压力显示仪表(5)、变送器(6)，温度显示仪表(7)和压力显示仪表(5)通过热电偶连接在自动蒸汽发生器(8)上，变送器(6)与数据采集分析仪连接，数据采集分析仪与计算机电连接，全自动蒸汽发生器(8)的侧面设有开关控制器(10)，开关控制器(10)与全自动蒸汽发生器(8)内的电加热管相连；全自动蒸汽发生器(8)侧面上下分别接有两根管子，上面的管子连接安全阀(13)，下面的管子连接到换热系统的总管路；

换热系统总管路的后端连接17个球阀(16)，17个球阀(16)与并排水平排列在支架(4)上的17根管路(17)分别连接，在管路(17)的正下方设有离心式通风机(2)，离心式通风机(2)连接有直联电动机(18)，管路(17)分别连接有疏水阀(3)，疏水阀(3)下端与17根玻璃管(1)相连接，玻璃管(1)并排竖直排列固定在支架(4)上，玻璃管(1)通过球阀(16)与其正下方的液体收集器(11)连接；

泵系统由位于支架(4)后方的电机(14)和离心泵(15)组成，电机(14)的输出通过联轴器和轴承传递至离心泵(15)，为其提供动力，离心泵(15)的入口与液体收集器(11)相连接，离心泵(15)的出口连接模拟换热器的壳程和管束的壳程入口，模拟换热器和管束的壳程出口用于将换热水排出。

2.根据权利要求1所述的一种传热系数测定实验装置，其特征在于，所述疏水阀(3)采用热动力式疏水阀。

3.根据权利要求1所述的一种传热系数测定实验装置，其特征在于，所述支架(4)底端设有滚轮(9)，数量为四个。

4.根据权利要求1所述的一种传热系数测定实验装置，其特征在于，所述全自动蒸汽发生器(8)侧面下面所接的管子通过截止阀(12)连接到换热系统的总管路。

5.根据权利要求1所述的一种传热系数测定实验装置，其特征在于，所述全自动蒸汽发生器(8)侧面上面所接的管子通过活接头连接安全阀(13)。

6.根据权利要求1所述的一种传热系数测定实验装置，其特征在于，所述管路(17)包含17根管路，按照从左向右的顺序编为①-号，其中①—号管子在材料、公称直径、长度、壁厚、表面结构形式方面不完全相同，号管子为顺流换热，号管子为逆流换热，号管束的排列方式为顺排，号管束的排列方式为叉排。

7.根据权利要求1所述的一种传热系数测定实验装置，其特征在于，所述离心泵(15)的出口通过钢管、连接弯头、4个球阀(16)和4根软管与管路(17)中模拟换热器和管束号管子的入口连接。