化工傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

應(yīng)惠娟，俞云良，姬登祥，黃雪雷

（1. 浙江工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，浙江 杭州 310014；2. 浙江工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，浙江 杭州 310014；3. 浙江工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 310014）

化工原理是一門化工類技術(shù)課程，是化工類專業(yè)重點(diǎn)建設(shè)的主要課程之一。與之配套的化工原理實(shí)驗(yàn)課程，相應(yīng)地在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)過程中也受到了眾多高校的重視，特別是在新型化工原理實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)設(shè)計(jì)和改進(jìn)方面，眾多高校取得了很多成果[1-8]。這些工作有些提高了實(shí)驗(yàn)裝置的綜合性、操作性、多樣性及比較性；有些實(shí)現(xiàn)了手動測量和自動測量的一體化操作；還有些降低了測量誤差，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象，傳熱過程是化工生產(chǎn)中的重要過程，所以傳熱實(shí)驗(yàn)是化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱要求必做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。但由于我校實(shí)驗(yàn)裝置建于20 世紀(jì)80 年代初，使用年限過久，老化嚴(yán)重，且內(nèi)容僅為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不利于學(xué)生綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和發(fā)展。因此，實(shí)驗(yàn)中心于2015 年引進(jìn)了天津市睿智科技發(fā)展有限公司的化工傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置[9]。該裝置的主要功能是通過對空氣-水蒸氣套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，掌握對流傳熱系數(shù)iα 的測定方法，并應(yīng)用線性回歸分析方法確定套管準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中的常數(shù)。同時(shí)該裝置上還設(shè)有列管換熱器，要求學(xué)生掌握總傳熱系數(shù)K 的測定方法。此外，該裝置可通過在套管管程插入螺旋線圈和變換列管換熱器的換熱面積來比較傳熱效率，進(jìn)一步加深學(xué)生對強(qiáng)化傳熱的基本理論和方式的理解。

1 化工傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置簡介及存在的問題

1.1 裝置簡介

本實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)有套管換熱器和列管換熱器。傳熱過程涉及兩股流體：冷流體空氣和熱流體水蒸氣。具體的流程為：冷空氣來源于大氣，通過漩渦氣泵進(jìn)入管道，經(jīng)空氣旁路調(diào)節(jié)閥和空氣流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量，通過套管和列管換熱器空氣進(jìn)口閥的控制分別進(jìn)入不同換熱器的管程。以套管換熱器的流程為例，水蒸氣由儲水罐提供水源進(jìn)入蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生，然后沿著管道通過套管換熱器蒸汽進(jìn)口閥門的控制進(jìn)入套管換熱器的殼程，再從另一端蒸汽排出口排出。排出的水蒸氣通過風(fēng)冷冷凝器變成液體水回到儲水罐中循環(huán)使用。實(shí)驗(yàn)流程如圖1 所示。

圖1 化工傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖（改進(jìn)前）

裝置特點(diǎn)主要有以下5 點(diǎn)：

（1）實(shí)驗(yàn)物料是水蒸汽和空氣，無毒無害，實(shí)驗(yàn)環(huán)境安全。

（2）實(shí)驗(yàn)裝置集成了兩種不同的換熱器，占地空間小，結(jié)構(gòu)緊湊。

（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有創(chuàng)新性和綜合性。本裝置可實(shí)現(xiàn)普通套管換熱、強(qiáng)化套管換熱（插入螺旋線圈）、全流通列管換熱和半流通列管換熱（添加堵頭）四種換熱過程，不僅可以讓學(xué)生掌握求解空氣對流傳熱系數(shù)α 和總傳熱系數(shù)K 的測定方法，還可以比較不同強(qiáng)化傳熱措施的效果，實(shí)現(xiàn)傳熱知識的綜合運(yùn)用。此外，裝置上還有漩渦氣泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等各種儀器儀表，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)不僅可以鞏固漩渦氣泵等動力設(shè)備的使用，還可以拓展轉(zhuǎn)子流量計(jì)等測量儀表的相關(guān)知識，有利于鍛煉學(xué)生的綜合素質(zhì)。

（4）實(shí)驗(yàn)流程實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)，縮短了產(chǎn)生水蒸汽的時(shí)間。通過風(fēng)冷冷凝器的設(shè)計(jì)，將水蒸氣變成水循環(huán)使用，節(jié)約了大量水資源，同時(shí)也減小了蒸汽發(fā)生器的體積，縮短了產(chǎn)生蒸汽的時(shí)間，減少了實(shí)驗(yàn)教師的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)等待時(shí)間。

（5）實(shí)驗(yàn)裝置連接了計(jì)算機(jī)，可實(shí)時(shí)記錄并保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還可以直接通過計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)。

總體而言，該實(shí)驗(yàn)裝置比我校的傳熱實(shí)驗(yàn)舊裝置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更豐富，實(shí)驗(yàn)效率更高，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)。

1.2 存在的問題

1）空氣的流量未經(jīng)校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)有偏差。

實(shí)驗(yàn)裝置上的空氣流量采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)來計(jì)量。由于測量氣體的轉(zhuǎn)子流量計(jì)一般是在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，即壓強(qiáng)p0=1.013×105Pa、溫度T0=293 K 下用空氣泵標(biāo)定出廠的，若待測氣體非空氣或在不同于上述標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下使用時(shí)，需要對測量值進(jìn)行修正[10-11]。本實(shí)驗(yàn)中，由于泵體較長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，環(huán)境溫度不斷上升，使得流經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)的空氣溫度上升較快，與轉(zhuǎn)子流量計(jì)標(biāo)定時(shí)的溫度差異較大，從而導(dǎo)致測得的空氣流量出現(xiàn)偏差，但國內(nèi)大多數(shù)高校教材中忽略了這一點(diǎn)。

2）水蒸氣一側(cè)存在不凝性氣體，影響傳熱效率。

實(shí)驗(yàn)中，由于整個體系并非密閉的環(huán)境，在水蒸氣的產(chǎn)生過程中十分容易混入空氣等不凝性氣體，這些氣體由于對流傳熱系數(shù)較小，因此熱阻較大，會影響傳熱效率，尤其是在實(shí)驗(yàn)剛開始的階段。這樣就會影響到空氣對流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)確性和準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的擬合程度，從而產(chǎn)生誤差。此外，這些不凝性氣體的存在，尤其是氧氣和二氧化碳等，還有可能對閥件和換熱器等產(chǎn)生腐蝕。

3）鉑電阻溫度計(jì)需反復(fù)插拔，導(dǎo)致維修頻繁。

在進(jìn)行對管程內(nèi)部插有螺旋線圈的空氣-水蒸氣強(qiáng)化套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，需要從套管管程空氣出口處插入螺旋線圈。插入螺旋線圈的操作步驟（見圖2）為:先拔出鉑電阻溫度計(jì)，打開卡扣移走鉑電阻溫度計(jì)支撐接頭，然后插入螺旋線圈，再接上鉑電阻溫度計(jì)支撐接頭，最后再插入鉑電阻溫度計(jì)。這樣的操作不僅步驟繁瑣，而且反復(fù)的插拔很容易導(dǎo)致鉑電阻溫度計(jì)的損壞或者接觸不良，造成維修頻繁，增加了實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行成本。

圖2 改進(jìn)前在套管管程插入螺旋線圈的步驟圖

2 化工綜合傳熱實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

針對上述實(shí)驗(yàn)裝置中的幾個問題，經(jīng)過查閱相關(guān)資料并對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)一步研究分析，對該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了如下改造：

（1）在轉(zhuǎn)子流量計(jì)空氣進(jìn)口處設(shè)置了玻璃U 形壓差計(jì)來校準(zhǔn)空氣的實(shí)際壓力，再將實(shí)驗(yàn)室測量得到的空氣進(jìn)口溫度和實(shí)驗(yàn)室大氣壓的數(shù)值代入以下公式進(jìn)行校準(zhǔn)。

空氣的實(shí)際流量為

其中：j表示實(shí)驗(yàn)序號；jV示表示第j組實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子流量計(jì)的空氣體積流量示數(shù)，單位為m3/h；ρ20℃表示20 ℃和1 個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣的密度，單位為kg/m3；ρj表示實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下第j組實(shí)驗(yàn)空氣的密度，單位為kg/m3；Pj表示第j組實(shí)驗(yàn)空氣的實(shí)際壓強(qiáng)，單位為Pa；M表示空氣的摩爾質(zhì)量數(shù)，單位為kg/mol；R表示氣體常數(shù)，為8.314 J/(mol·K)；t1j表示第j組實(shí)驗(yàn)空氣的入口溫度，單位為℃；Pa 表示實(shí)驗(yàn)時(shí)的大氣壓，單位為Pa；ρ水表示實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度下水的密度,單位為kg/m3；g表示重力加速度，為9.81m/s2；ΔR表示玻璃U 形壓差計(jì)液位差，單位為mmH2O（1 mmH2O=9.81 Pa）。

（2）在兩個換熱器的蒸汽出口處分別設(shè)置了不凝性氣體排出閥，在實(shí)驗(yàn)開始前先打開不凝性氣體閥門以排出套管內(nèi)不凝性氣體使套管殼程完全被水蒸汽置換，然后再關(guān)閉不凝性氣體排出閥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，接著在實(shí)驗(yàn)過程中需要定期打開不凝性氣體閥門2～3 次以排出實(shí)驗(yàn)過程中帶入的不凝性氣體。

（3）在空氣出口處設(shè)置了兩個相連的三通，將鉑電阻溫度計(jì)豎直放置，然后水平一側(cè)接上一個堵頭密封套管，旋開堵頭則可用于插入螺旋線圈，空氣則在鉑電阻溫度計(jì)的三通處排放。

3 化工綜合傳熱實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)前后的對比

實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)后，實(shí)驗(yàn)流程示意圖和實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖分別如圖3 和4 所示。本文對比了改進(jìn)前后的實(shí)驗(yàn)相關(guān)情況：

（1）對實(shí)驗(yàn)改進(jìn)前后的部分測量數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，具體見表1。由表1 可知，空氣體積流量未校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)比校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)要偏小0.3～1.6 m3/h不等，且隨著流量的增大，誤差最大可以達(dá)到4%，由此說明改進(jìn)后空氣的體積流量測量更加準(zhǔn)確了。

圖3 化工傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖（改進(jìn)后）

圖4 化工傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖（改進(jìn)后）

表1 化工傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)前后部分?jǐn)?shù)據(jù)對比表

（2）改進(jìn)后空氣進(jìn)出口溫差增大了，特別是在實(shí)驗(yàn)剛開始時(shí)，空氣進(jìn)出口溫差可提升1.1 ℃，提高了傳熱效率。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，不凝性氣體逐漸從水蒸氣排出口排出殼程，所以在實(shí)驗(yàn)后期，換熱效率受不凝性氣體的影響變小，由此計(jì)算得到的空氣對流傳熱系數(shù)的增幅也隨之變小。

（3）改進(jìn)后求解的普通套管傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中的系數(shù)A和指數(shù)m分別為0.023 2 和0.796 7，與教材中的理論值0.023 和0.8 比改進(jìn)前更為接近（如圖5），說明提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖5 改進(jìn)前后套管傳熱實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)圖的對比

圖6 改進(jìn)后在套管管程插入螺旋線圈的步驟圖

（4）實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)后，在管程插入螺旋線圈的步驟更為簡單（見圖6），只要旋開堵頭，插入螺旋線圈，再旋緊堵頭即可，不需要插拔鉑電阻溫度計(jì)，也就避免了由于反復(fù)插拔而導(dǎo)致其維修頻繁或接觸不良的問題，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)運(yùn)行成本。

4 結(jié)語

通過對引進(jìn)化工原理實(shí)驗(yàn)化工傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置的分析與改造，完善了該裝置的部分功能，與改進(jìn)前相比，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)驗(yàn)操作的簡便性以及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，適合學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及科學(xué)研究，具有很好的實(shí)用價(jià)值。