CN209055494U - 数字化传热综合实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种数字化传热综合实验装置，其特征在于由蒸汽系统、冷介质系统、换热系统以及数据采集控制系统组成；其中换热系统由强化管换热器、光滑管换热器、空冷翅片换热器(5)和凝液罐(6)组成：强化管换热器与光滑管换热器并联平行；强化管换热器内的强化内管换热管(11)与光滑管换热器内的光滑管换热管(12)的内管分别通过管道与冷介质系统连接；蒸汽系统并联连接强化内管换热管(11)和光滑管换热管(12)壳程；数据采集控制系统由温度传感器、压力传感器和流量计传感器以及控制面板组成。本实用新型用于化工原理教学实验中传热系数的测定；对不同传热介质、不同换热器的传热参数进行实验对比；并对实验数据进行采集汇总并上传至数据终端服务器或云平台。
Description
技术领域：
本实用新型涉及到一种数字化化工原理实验教学装置，用于测定对流传热系数。
背景技术：
测定对流传热系数一般是指流体在圆形光滑管中作强制湍流时的对流传热系数，例如水蒸气加热冷介质(比如冷水，空气等)。强化传热被学术界称为第二代传热技术，它能减小设计的传热面积，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。现有传热系数测定装置普遍存在问题：1).换热器组件单一，如通常采用单管换热器，列管式换热器、翅片式换热器等其中之一，而在学生实验过程中，只能得到单一换热器的给热系数，无法与其他换热器组件传热性能进行对比；2).对于当前如何提高换热器的换热能力，减少换热器能量损失以减少换热器的动力消耗，更加有效地利用能源，是一个需要解决的问题；3).对于如何将传统的实验数据，例如温度、压力、管径、换热面积等均采取人工记录，纸质化数据不利于保存，不方便大数据集中分析和综合管理，对实验装置的稳定性评价以及和设备的使用记录，无法进行科学管理。
发明内容：
针对这些问题，本实用新型的目的是提供了一种数字化传热综合实验装置。
本实用新型的技术方案为：数字化传热综合实验装置，其特征在于：由蒸汽系统、冷介质系统、换热系统以及数据采集控制系统四部分组成；其中：换热系统由强化管换热器、光滑管换热器、空冷翅片换热器5和凝液罐6组成：强化管换热器由强化管观察套管9、强化管外耐压玻璃套管10和强化内管换热管11 组成；光滑管换热器由光滑管换热管12、光滑管外耐压玻璃套管13和光滑管观察套管14组成；强化管换热器与光滑管换热器并联平行，位于其下方；强化内管换热管11与光滑管换热管12的内管分别通过管道与冷介质系统连接；强化内管换热管11外部与强化管外耐压玻璃套管10套装连接，强化管外耐压玻璃套管10与强化管观察套管9套装连接；光滑管换热管12外部与光滑管外耐压玻璃套管13套装连接，光滑管外耐压玻璃套管13外部与光滑管观察套管14套装连接；蒸汽系统的自发生器3的蒸汽管道分别并联连接强化内管换热管11和光滑管换热管12壳程；强化内管换热管11和光滑管换热管12壳程的尾部通过管道与空冷翅片换热器5和凝液罐6连接；强化内管换热管11与光滑管换热管12管程放净口用管道与室外下水道相连；冷介质系统由物料输送设备、变频器2和涡轮流量计4组成：其中物料输送设备用管道与涡轮流量计4和换热系统中强化管换热器的强化内管换热管11内管相连接；并联与换热系统中光滑管换热器的光滑管换热管12内管连通；数据采集控制系统由温度传感器、压力传感器和流量计传感器以及控制面板组成；强化内管换热管11的进口和出口壁分别设有第一温度感器8a和第四温度感器8d；光滑管换热管12的进口和出口壁分别设有第二温度感器8b和第三温度感器8c；强化内管换热管11和光滑管换热管12进出口两段设有差压传感器15和压力传感器16；其中第一温度传感器8a、第二温度传感器8b、第三温度传感器8c、第四温度传感器8d和涡轮流量计4均与控制面板相连接。
优选上述强化内管换热管11管为翅片管、螺纹管、波纹管、或内插螺旋线圈的圆形直管的任意一种；强化管观察套管9和光滑管观察套管14均为透明的 PVC管、PP管、不锈钢套管，有一段开槽，嵌入有机玻璃；可以观察冷凝现象。
上述的数字化传热综合实验装置，可以用于空气-水蒸气体系，也可以用于水-饱和水蒸气体系；对于空气-水蒸气体系，物料输送设备采用风机1a；而对于水-饱和水蒸气体系，物料输送设备则采用泵设备1b泵入水进入套管换热器内管中。
利用上述的数字化传热综合实验装置进行传热教学实验的方法，其具体步骤为：(一)启动蒸汽系统的自发生器3的电源，加热产生饱和水蒸气；(二)光滑管换热数据测量.打开光滑管换热器的换热管12的进口阀门和出口阀，启动冷介质输送设备，调节涡轮流量计4测量一定流量下第二温度传感器8b温度和第三温度传感器8c温度；同时测量光滑管换热器管的12进口和出口之间的压差数据；(三)强化管换热数据测量：切换支路，水蒸气自行充入强化管换热器的换热管11，调节涡轮流量计4测量第一温度传感器8a温度和第四温度传感器8d 温度；同时测量强化内管换热管11进口和出口之间的压差数据；(四)实验结束后，关闭蒸汽自发生器3，再关闭冷介质输送设备，并将旁路阀全开，将管道水和不凝气排净；(五)实验数据处理：将原始数据上传服务器或云平台，分析和处理实验数据，生成实验报告。
对于空气-水蒸气体系：优选自发生器的蒸汽压力范围：0～1.2kPa；所测空气涡轮流量计4的测量范围为0～30m3/h；均匀取6个测量流量数据；测量管内压降范围：0～10kPa范围内测量6组数据。
更优选蒸汽压力范围：0～1.1kPa；所测空气涡轮流量计4的测量范围为 10～20m3/h；测量管内压降范围为1.4～5.5kPa。
对于水-水蒸气体系：优选自发生器3的蒸汽压力范围：0～1.4kPa；涡轮流量计4测量范围0～3m3/h；均匀取6个测量流量数据；圆形光滑管换热器10压降测量范围为1～10kPa；强化管9压降测量范围为1～100kPa。
更优选自发生器3的蒸汽压力范围：0～1.2kPa；涡轮流量计4测量范围0.4～ 1m3/h；圆形光滑管换热器10压降测量范围为2.8～10kPa；强化管9压降测量范围为7.5～55kPa。
本实用新型：1.并联两套换热组件进行横向给热系数比较；2.增加扰流装置，强化传热效果；3.装置配置数字化的仪器、仪表系统，在实验过程中自动采集数据，并上传到终端服务器或者云平台，对数据进行集中归集，并进行大数据分析；同时对实验装置的实验结果进行评价，考察实验装置自身的性能稳定性。
所述并联两套换热组件，其中第一组换热器，为可视单套管，内置紫铜管；可观察套管换热器内水蒸气在水平管外壁上的冷凝状况，通过实验了解对流给热系数的影响因素，确定圆形直管内强制湍流下的关联式Nu＝A×Rem×Pr0.4中常数A、 m的值，测6个数据点；可测定套管换热器的管内压降ΔP和Nu之间的关系，测6组数据点；可测定套管换热器的总传热系数；换热管两端壁面各有3个测温点，可进行实验数据实时在线采集、过程自动控制。
所述并联的换热组件，是选择翅片管、螺纹管、波纹管或内插螺旋线圈的圆形直管作为强化管，测定强制对流给热系数；可测定水或空气在强化管内的强制对流给热系数，其强化比α强化/α>1.1。
所述数字化传热综合实验装置，控制柜上配套触摸屏嵌入式控制系统或配置电脑操控系统，软件采用MCGS工控组态软件；提供在线监控实验软件，可实现远程集中数据采集与控制；具有数据远传功能，数据可上传至云平台、服务器。
有益效果：
本发明并联两套换热组件进行横向给热系数比较；增加扰流装置，强化传热效果；装置配置数字化的仪器、仪表系统，在实验过程中自动采集数据，并上传到终端服务器或者云平台，对数据进行集中归集，并进行大数据分析；能够同时对实验装置的实验结果进行评价，考察实验装置自身的性能稳定性。
附图说明：
图1数字化传热综合实验装置流程图(空气-水蒸气)；其中1a.风机；2.变频器； 3.蒸汽自发生器；4.涡轮流量计；5.空冷翅片换热器；6.凝液罐；7.转子流量计； 8a第一温度传感器；第二温度传感器8b；第三温度计传感器8c；第四温度计传感器8d；9.强化管观察套管；10.强化管外耐压玻璃套管；11.强化内管换热管； 12.光滑管换热管；13.光滑管外耐压玻璃套管；14.光滑管观察套管；15.差压传感器；16.压力传感器；
图2数字化传热综合实验装置流程图(水-水蒸气)；其中1b.水泵；2.水箱；3. 蒸汽自发生器；4.涡轮流量计；5.空冷翅片换热器；6.凝液罐；7.转子流量计；8a 第一温度传感器；第二温度传感器8b；第三温度计传感器8c；第四温度计传感器8d；9.强化管观察套管；10.强化管外耐压玻璃套管；11.强化内管换热管；12.光滑管换热管；13.光滑管外耐压玻璃套管；14.光滑管观察套管；15.差压传感器；16.压力传感器；
图3空气-水蒸气体系中光滑管lg(Nu/Pr^0.4)-lg(Re)关系图；
图4空气-水蒸气体系中强化管lg(Nu/Pr^0.4)-lg(Re)关系图；
图5空气-水蒸气体系中强化管和光滑管△P-Nu关系图比较；
图6水-水蒸气体系中光滑管lg(Nu)-lg(Re)关系图；
图7水-水蒸气体系中强化管lg(Nu)-lg(Re)关系图；
图8水-水蒸气体系中强化管和光滑管△P-Nu关系图比较。
具体实施方式：
实施例1数字化传热综合实验装置(空气-水蒸气)教学实验加强说明实验装置性能(实验装置如图1)
实验方法与步骤：实验方法与步骤：(一).接通电源总闸，设定加热电压，启动蒸汽自发生器3电加热器开关，开始加热。(二).实验开始一段时间后水沸腾，水蒸气自行充入光滑管换热器的换热管12，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，标志着实验可以开始。约加热10min后，启动鼓风机1，保证实验开始时温度传感器稳定8min开始测量，读取涡轮流量计4读取空气流速V；读取空气入口温度t1和空气出口温度t2；测量空气入口端光滑管换热管12管壁第二温度传感器 8b的三个测量温度tw11，tw12，tw13；空气出口光滑管换热管12管壁第三温度传感器8c的三个测量温度tw21，tw22，tw23温度；测量光滑管外耐压玻璃套管13管内蒸汽入口端温度T1，蒸汽出口端温度T2；测量测量光滑管外耐压玻璃套管13 两端压差，读取差压传感器15的压力△P；转动涡轮流量计4读取空气流速Vi，重复测量第二温度传感器8b和第三温度传感器8c温度均值，共做8组空气流量值。在整个实验过程中，加热电压可以保持不变，可随空气流量的变化作适当的调节。(三).切换支路，水蒸气自行充入强化内管换热器的换热管11，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，标志着实验可以开始。温度稳定8min开始测量，读取涡轮流量计4读取空气流速V；读取空气入口温度t1和空气出口温度t2；测量空气入口端强化管换热管11管壁第一温度传感器8a的三个测量温度tw11，tw12，tw13；空气出口强化管换热管11管壁第四温度传感器8d的三个测量温度tw21，tw22，tw23温度；测量强化管外耐压玻璃套管10管内蒸汽入口端温度T1，蒸汽出口端温度 T2；测量测量强化管外耐压玻璃套管10两端压差，读取差压传感器15的压力△ P；转动涡轮流量计4读取空气流速Vi，重复测量第一温度传感器8a和第四温度传感器8d温度均值，共做8组空气流量值。在整个实验过程中，加热电压可以保持不变，可随空气流量的变化作适当的调节。重复步骤(二)的实验步骤。测定6组实验数据。(四).实验结束后，关闭蒸汽自发生器3，过5min后关闭鼓风机1a，并将旁路阀全开，将管道水和不凝气排净。(五).实验数据处理：将原始数据上传服务器或云平台，分析和处理实验数据，生成实验报告。具体实验数据汇总见下表-1和表2。
对实验数据处理，对流给热系数αi平均温差△tm，内管测温点平均温度tw1，管内换热面积Ai，传热量Qi，质量流速Wi由下式计算得到：
其中，
Ai＝π×di×L；Qi＝Wi×Cpi×(t2-t1)；
同样取三个温度的平均值作为出口壁温Tw2，套管换热器的内管为紫铜管，管壁较薄而且导热系数较大，管壁热阻可以忽略不计，可近似认为管壁的内外温度相等，即tw1＝Tw1，tw2＝Tw2。
努塞尔准数Nu，雷诺准数Re，普兰特准数Pr分别由下列公式求解：
Nu＝A×Rem×Pr0.4。
通过实验测定不同流量下的Re和Nu，然后根据lg(Nu/Pr^0.4)-lg(Re)关系作图，然后用线性回归的方法确定A和m值。
由于α强化/α＝Nu/Nu0，为了方便研究强化手段的强化效果，可以用强化比 Nu/Nu0作为评判标准，其中Nu是强化套管换热器的努塞尔准数，Nu0为光滑管换热器的努塞尔准数，两者比值越大，其强化效果越好。
根据以上实验公式进行实验数据处理，见表-1空气-水蒸气实验中强化管传热系数测定数据；表-2空气-水蒸气实验中光滑管传热系数测定数据.具体数据拟合和比较分析见附件图-3空气-水蒸气体系中光滑管lg(Nu/Pr^0.4)-lg(Re)关系图；图-4空气-水蒸气体系中强化管lg(Nu/Pr^0.4)-lg(Re)关系图；图-5空气-水蒸气体系中强化管和光滑管△P-Nu关系图比较。
表-1.空气-水蒸气实验中光滑管传热系数测定数据
表-2.空气-水蒸气实验中强化管传热系数测定数据
空气-水蒸气实验中光滑管传热系数测定数据见表-1；空气-水蒸气实验中强化管传热系数测定数据见表-2.根据计算结果表明强化比Nu/Nu0等于1.78，有显著的强化效果。
实施例2数字化传热综合实验装置(水-饱和水蒸气)教学实验加强说明实验装置性能(实验装置如图2)
实验方法与步骤：(一).接通电源总闸，设定加热电压，启动蒸汽自发生器 3电加热器开关，开始加热。(二).实验开始一段时间后水蒸气压力达到0.1MPa，打开阀门保持压力稳定，充入光滑管换热器的换热管12，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，排除蒸汽管道中不凝液体。打开水泵1b，圆形光滑管换热器10管程通入冷水，这时可以观察到圆形光滑管换热管12管外壁冷凝水的形成过程。稳定10min后，读取涡轮流量计4读取冷水流速V；读取冷水入口温度t1和出口温度t2；测量冷水入口端光滑管换热管12管壁第二温度传感器8b的三个测量温度tw11，tw12，tw13；冷水出口端光滑管换热管12管壁第三温度传感器8c的三个测量温度tw21，tw22，tw23温度；测量光滑管外耐压玻璃套管13管内蒸汽入口端温度T1，蒸汽出口端温度T2；测量测量光滑管外耐压玻璃套管13两端压差，读取差压传感器15的压力△P；测量调节涡轮流量计4冷水流速Vi，重复测量第二温度传感器8b和第三温度传感器8c温度，做6组实验。(三).切换支路，水蒸气自行充入强化内管换热器的换热管11，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，标志着实验可以开始。温度稳定8min开始测量，读取涡轮流量计4读取冷水流速V；读取冷水入口温度t1和冷水出口温度t2；测量冷水入口端强化管换热管11 第一温度传感器管壁8a的三个测量温度tw11，tw12，tw13；冷水出口强化管换热管 11管壁第四温度传感器8d的三个测量温度tw21，tw22，tw23温度；测量强化管外耐压玻璃套管10管内蒸汽入口端温度T1，蒸汽出口端温度T2；测量测量强化管外耐压玻璃套管10两端压差，读取差压传感器15的压力△P；转动涡轮流量计 4读取冷水流速Vi，重复测量第一温度传感器8a和第四温度传感器8d温度均值，共做8组空气流量值。在整个实验过程中，加热电压可以保持不变，可随冷水流量的变化作适当的调节。(重复步骤(二)的实验步骤。测定6组实验数据。(四). 实验结束后，关闭蒸汽自发生器(3)，过5min后关闭水泵1b，并将旁路阀全开，将管道水和不凝气排净。(五).实验数据处理：将原始数据上传服务器或云平台，分析和处理实验数据，生成实验报告。
水-水蒸气实验中光滑管传热系数测定数据见表-3；水-水蒸气实验中强化管传热系数测定数据见表-4.根据计算结果表明强化比1.18，有明显的强化效果。关于数据拟合和分析比较，见附件图6水-水蒸气体系中光滑管lg(Nu)-lg(Re)关系图；图7水-水蒸气体系中强化管lg(Nu)-lg(Re)关系图；图8水-水蒸气体系中强化管和光滑管△P-Nu关系图比较。
表3.水-水蒸气实验中光滑管传热系数测定数据
表4.水-水蒸气实验中强化管传热系数测定数据
实施例3将强化内管换热器换成强化内部螺纹管进行水-饱和水蒸气实验教学实验加强说明实验装置性能。
按照实施例2相同步骤进行实验。实验步骤一、二、四均相同，实验过程三之切换支路，将水蒸气充入强化内部螺纹管进行上述实验，将原始数据上传服务器或云平台，分析和处理实验数据，生成实验报告。(实验数据和处理方案与实施例2相同)。
Claims (3)
1.数字化传热综合实验装置，其特征在于：由蒸汽系统、冷介质系统、换热系统以及数据采集控制系统四部分组成；其中：换热系统由强化管换热器、光滑管换热器、空冷翅片换热器(5)和凝液罐(6)组成：强化管换热器由强化管观察套管(9)、强化管外耐压玻璃套管(10)和强化内管换热管(11)组成；光滑管换热器由光滑管换热管(12)、光滑管外耐压玻璃套管(13)和光滑管观察套管(14)组成；强化管换热器与光滑管换热器并联平行；强化内管换热管(11)与光滑管换热管(12)的内管分别通过管道与冷介质系统连接；强化内管换热管(11)外部与强化管外耐压玻璃套管(10)套装连接，强化管外耐压玻璃套管(10)与强化管观察套管(9)套装连接；光滑管换热管(12)外部与光滑管外耐压玻璃套管(13)套装连接，光滑管外耐压玻璃套管(13)外部与光滑管观察套管(14)套装连接；蒸汽系统的自发生器(3)的蒸汽管道分别并联连接强化内管换热管(11)和光滑管换热管(12)壳程；强化内管换热管(11)和光滑管换热管(12)壳程的尾部通过管道与空冷翅片换热器(5)和凝液罐(6)连接；强化内管换热管(11)与光滑管换热管(12)管程放净口用管道与室外下水道相连；冷介质系统由物料输送设备、变频器(2)和涡轮流量计(4)组成：其中物料输送设备用管道与涡轮流量计(4)和换热系统中强化管换热器的强化内管换热管(11)内管相连接；并联与换热系统中光滑管换热器的光滑管换热管(12)内管连通；数据采集控制系统由温度传感器、压力传感器和流量计传感器以及控制面板组成；强化内管换热管(11)的进口和出口壁分别设有第一温度感器(8a)和第四温度感器(8d)；光滑管换热管(12)的进口和出口壁分别设有第二温度感器(8b)和第三温度感器(8c)；强化内管换热管(11)和光滑管换热管(12)进出口两段设有差压传感器(15)和压力传感器(16)；其中第一温度传感器8a、第二温度传感器8b、第三温度传感器8c、第四温度传感器8d和涡轮流量计(4)均与控制面板相连接。
2.如权利要求1所述的数字化传热综合实验装置，其特征在于强化内管换热管(11)管为翅片管、螺纹管、波纹管、或内插螺旋线圈的圆形直管的任意一种；强化管观察套管(9)和光滑管观察套管(14)均为透明的PVC管、PP管、不锈钢套管。
3.如权利要求1所述的数字化传热综合实验装置，其特征在于对于空气-水蒸气体系，物料输送设备采用风机(1a)；而对于水-饱和水蒸气体系，物料输送设备则采用泵设备(1b)。
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| CN201821462885.7U Active CN209055494U (zh) | 2018-09-07 | 2018-09-07 | 数字化传热综合实验装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN209055494U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108956687A (zh) * | 2018-09-07 | 2018-12-07 | 南京工业大学 | 数字化传热综合实验装置及方法 |
| CN108956687B (zh) * | 2018-09-07 | 2024-05-10 | 南京工业大学 | 数字化传热综合实验装置及方法 |
-
2018
- 2018-09-07 CN CN201821462885.7U patent/CN209055494U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108956687A (zh) * | 2018-09-07 | 2018-12-07 | 南京工业大学 | 数字化传热综合实验装置及方法 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |