化工传热综合实验装置的改进

2020-12-16应惠娟俞云良姬登祥黄雪雷

实验技术与管理 2020年10期

应惠娟，俞云良，姬登祥，黄雪雷

（1. 浙江工业大学化学化工国家级实验教学示范中心，浙江杭州 310014；2. 浙江工业大学化学化工国家级虚拟仿真实验教学中心，浙江杭州 310014；3. 浙江工业大学化学工程学院，浙江杭州 310014）

化工原理是一门化工类技术课程，是化工类专业重点建设的主要课程之一。与之配套的化工原理实验课程，相应地在实验教学中心的建设过程中也受到了众多高校的重视，特别是在新型化工原理实验装置的开发设计和改进方面，众多高校取得了很多成果[1-8]。这些工作有些提高了实验装置的综合性、操作性、多样性及比较性；有些实现了手动测量和自动测量的一体化操作；还有些降低了测量误差，提高了实验的准确性。

传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象，传热过程是化工生产中的重要过程，所以传热实验是化工原理实验教学大纲要求必做的实验项目。但由于我校实验装置建于20 世纪80 年代初，使用年限过久，老化严重，且内容仅为验证性实验，不利于学生综合实践能力和创新能力的培养，已经难以适应当前实验教学的改革和发展。因此，实验中心于2015 年引进了天津市睿智科技发展有限公司的化工传热综合实验装置[9]。该装置的主要功能是通过对空气-水蒸气套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数iα 的测定方法，并应用线性回归分析方法确定套管准数关联式Nu=ARemPr0.4中的常数。同时该装置上还设有列管换热器，要求学生掌握总传热系数K 的测定方法。此外，该装置可通过在套管管程插入螺旋线圈和变换列管换热器的换热面积来比较传热效率，进一步加深学生对强化传热的基本理论和方式的理解。

1 化工传热综合实验装置简介及存在的问题

1.1 装置简介

本实验装置设有套管换热器和列管换热器。传热过程涉及两股流体：冷流体空气和热流体水蒸气。具体的流程为：冷空气来源于大气，通过漩涡气泵进入管道，经空气旁路调节阀和空气流量调节阀调节流量，通过套管和列管换热器空气进口阀的控制分别进入不同换热器的管程。以套管换热器的流程为例，水蒸气由储水罐提供水源进入蒸汽发生器产生，然后沿着管道通过套管换热器蒸汽进口阀门的控制进入套管换热器的壳程，再从另一端蒸汽排出口排出。排出的水蒸气通过风冷冷凝器变成液体水回到储水罐中循环使用。实验流程如图1 所示。

图1 化工传热综合实验装置流程示意图（改进前）

装置特点主要有以下5 点：

（1）实验物料是水蒸汽和空气，无毒无害，实验环境安全。

（2）实验装置集成了两种不同的换热器，占地空间小，结构紧凑。

（3）实验内容具有创新性和综合性。本装置可实现普通套管换热、强化套管换热（插入螺旋线圈）、全流通列管换热和半流通列管换热（添加堵头）四种换热过程，不仅可以让学生掌握求解空气对流传热系数α 和总传热系数K 的测定方法，还可以比较不同强化传热措施的效果，实现传热知识的综合运用。此外，装置上还有漩涡气泵、转子流量计等各种仪器仪表，学生通过实验不仅可以巩固漩涡气泵等动力设备的使用，还可以拓展转子流量计等测量仪表的相关知识，有利于锻炼学生的综合素质。

（4）实验流程实现水资源的循环，缩短了产生水蒸汽的时间。通过风冷冷凝器的设计，将水蒸气变成水循环使用，节约了大量水资源，同时也减小了蒸汽发生器的体积，缩短了产生蒸汽的时间，减少了实验教师的实验准备时间和学生的实验等待时间。

（5）实验装置连接了计算机，可实时记录并保存实验数据，还可以直接通过计算机处理数据。

总体而言，该实验装置比我校的传热实验旧装置实验内容更丰富，实验效率更高，实验运行更经济。

1.2 存在的问题

1）空气的流量未经校准，数据有偏差。

实验装置上的空气流量采用转子流量计来计量。由于测量气体的转子流量计一般是在工业标准状态下，即压强p0=1.013×105Pa、温度T0=293 K 下用空气泵标定出厂的，若待测气体非空气或在不同于上述标准状态下使用时，需要对测量值进行修正[10-11]。本实验中，由于泵体较长时间运转，随着实验的进行，环境温度不断上升，使得流经转子流量计的空气温度上升较快，与转子流量计标定时的温度差异较大，从而导致测得的空气流量出现偏差，但国内大多数高校教材中忽略了这一点。

2）水蒸气一侧存在不凝性气体，影响传热效率。

实验中，由于整个体系并非密闭的环境，在水蒸气的产生过程中十分容易混入空气等不凝性气体，这些气体由于对流传热系数较小，因此热阻较大，会影响传热效率，尤其是在实验刚开始的阶段。这样就会影响到空气对流传热系数的准确性和准数关联式的拟合程度，从而产生误差。此外，这些不凝性气体的存在，尤其是氧气和二氧化碳等，还有可能对阀件和换热器等产生腐蚀。

3）铂电阻温度计需反复插拔，导致维修频繁。

在进行对管程内部插有螺旋线圈的空气-水蒸气强化套管换热器的实验研究时，需要从套管管程空气出口处插入螺旋线圈。插入螺旋线圈的操作步骤（见图2）为:先拔出铂电阻温度计，打开卡扣移走铂电阻温度计支撑接头，然后插入螺旋线圈，再接上铂电阻温度计支撑接头，最后再插入铂电阻温度计。这样的操作不仅步骤繁琐，而且反复的插拔很容易导致铂电阻温度计的损坏或者接触不良，造成维修频繁，增加了实验室运行成本。

图2 改进前在套管管程插入螺旋线圈的步骤图

2 化工综合传热实验装置的改进

针对上述实验装置中的几个问题，经过查阅相关资料并对实验装置进一步研究分析，对该实验装置进行了如下改造：

（1）在转子流量计空气进口处设置了玻璃U 形压差计来校准空气的实际压力，再将实验室测量得到的空气进口温度和实验室大气压的数值代入以下公式进行校准。

空气的实际流量为

其中：j表示实验序号；jV示表示第j组实验转子流量计的空气体积流量示数，单位为m3/h；ρ20℃表示20 ℃和1 个标准大气压下空气的密度，单位为kg/m3；ρj表示实验状态下第j组实验空气的密度，单位为kg/m3；Pj表示第j组实验空气的实际压强，单位为Pa；M表示空气的摩尔质量数，单位为kg/mol；R表示气体常数，为8.314 J/(mol·K)；t1j表示第j组实验空气的入口温度，单位为℃；Pa 表示实验时的大气压，单位为Pa；ρ水表示实验环境温度下水的密度,单位为kg/m3；g表示重力加速度，为9.81m/s2；ΔR表示玻璃U 形压差计液位差，单位为mmH2O（1 mmH2O=9.81 Pa）。

（2）在两个换热器的蒸汽出口处分别设置了不凝性气体排出阀，在实验开始前先打开不凝性气体阀门以排出套管内不凝性气体使套管壳程完全被水蒸汽置换，然后再关闭不凝性气体排出阀进行实验，接着在实验过程中需要定期打开不凝性气体阀门2～3 次以排出实验过程中带入的不凝性气体。

（3）在空气出口处设置了两个相连的三通，将铂电阻温度计竖直放置，然后水平一侧接上一个堵头密封套管，旋开堵头则可用于插入螺旋线圈，空气则在铂电阻温度计的三通处排放。