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(guó)家級(jí)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(guó)家級(jí)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(mén)化工類(lèi)技術(shù)課程，是化工類(lèi)專(zhuān)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(guò)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(kāi)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(dòng)測(cè)量和自動(dòng)測(cè)量的一體化操作；還有些降低了測(cè)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(guò)程是化工生產(chǎn)中的重要過(guò)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(guò)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(guò)對(duì)空氣-水蒸氣套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，掌握對(duì)流傳熱系數(shù)iα 的測(cè)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(cè)定方法。此外，該裝置可通過(guò)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(lái)比較傳熱效率，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)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(jiǎn)介及存在的問(wèn)題

1.1 裝置簡(jiǎn)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(guò)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(lái)源于大氣，通過(guò)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(guò)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(chǔ)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(guò)套管換熱器蒸汽進(jìn)口閥門(mén)的控制進(jìn)入套管換熱器的殼程，再?gòu)牧硪欢苏羝懦隹谂懦?。排出的水蒸氣通過(guò)風(fēng)冷冷凝器變成液體水回到儲(chǔ)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(wú)毒無(wú)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(guò)程，不僅可以讓學(xué)生掌握求解空氣對(duì)流傳熱系數(shù)α 和總傳熱系數(shù)K 的測(cè)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(shí)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(guò)實(shí)驗(yàn)不僅可以鞏固漩渦氣泵等動(dòng)力設(shè)備的使用，還可以拓展轉(zhuǎn)子流量計(jì)等測(cè)量?jī)x表的相關(guān)知識(shí)，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(guò)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(guò)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(wèn)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(lái)計(jì)量。由于測(cè)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(cè)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(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正[10-11]。本實(shí)驗(yàn)中，由于泵體較長(zhǎng)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(cè)得的空氣流量出現(xiàn)偏差，但國(guó)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(gè)體系并非密閉的環(huán)境，在水蒸氣的產(chǎn)生過(guò)程中十分容易混入空氣等不凝性氣體，這些氣體由于對(duì)流傳熱系數(shù)較小，因此熱阻較大，會(huì)影響傳熱效率，尤其是在實(shí)驗(yàn)剛開(kāi)始的階段。這樣就會(huì)影響到空氣對(duì)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(duì)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(duì)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(jiàn)圖2）為:先拔出鉑電阻溫度計(jì)，打開(kāi)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(duì)上述實(shí)驗(yàn)裝置中的幾個(gè)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)資料并對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)一步研究分析，對(duì)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(lái)校準(zhǔn)空氣的實(shí)際壓力，再將實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(hào)；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(gè)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(gè)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(kāi)始前先打開(kāi)不凝性氣體閥門(mén)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(guò)程中需要定期打開(kāi)不凝性氣體閥門(mén)2～3 次以排出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中帶入的不凝性氣體。

（3）在空氣出口處設(shè)置了兩個(gè)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(gè)堵頭密封套管，旋開(kāi)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(duì)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(duì)比了改進(jìn)前后的實(shí)驗(yàn)相關(guān)情況：

（1）對(duì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)前后的部分測(cè)量數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，具體見(jiàn)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(shuō)明改進(jìn)后空氣的體積流量測(cè)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(duì)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(kāi)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(duì)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(shuō)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(duì)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(jiǎn)單（見(jiàn)圖6），只要旋開(kāi)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(wèn)題，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)運(yùn)行成本。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)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(jiǎn)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。