CN102411863B - 测量微管两相对流传热系数的教学实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量微管两相对流传热系数的教学实验装置。微注射泵经连接管件与易拆卸混相器的进口相连，储气罐经连接管件与易拆卸混相器的另一进口相连，易拆卸混相器的出口与玻璃连接管、微米级不锈钢管、流型观察器、连接管件一端顺次相连。微米级不锈钢管外设有绝热黑腔体，不锈钢管进口端和出口端设有热电偶，同时还连接有加热导线并与功率可调型加热单元相连，并在不锈钢管相对应处设有在线红外热检测仪。热电偶通过数据采集单元与计算机相连，在线红外热检测仪与功率可调型加热单元与计算机相连。本发明设备针对教学实验用途，以不锈钢管内的两相对流传热为研究对象，操作简单、精度高、稳定性好，可以实现远程教学。
Description
技术领域
本发明涉及测量两相对流传热系数领域，尤其涉及一种测量微管两相对流传热系数的教学实验装置。
背景技术
气液两相流体的流动工况在动力、化工、核能、制冷、石油、冶金等工业中经常遇到。在这些工业的具有热交换的设备中还存在着两相流体的传热问题。例如，在核电站和火力发电站中的各种沸腾管、各式气液混合器、气液分离器、各种热交换器、精馏塔、化学反应设备、各式冷凝器及其他设备中已广泛存在气液两相流体的流动和传热问题。气液两相流体对流传热系数反映了流体与固体表面的换热能力，其物理意义为当流体与固体表面之间的温度差为1K时，单位壁面面积在单位时间所能传递的热量，单位为W/(m2·K)。由于气液两相的流型复杂，对传热过程有很大影响，与单相流体比较，气液两相的传热过程研究更加困难。对于化工类专业学生，了解和掌握两相流体对流传热系数的测定方法及两相流体传热的各种知识，对于经济而可靠地研制、设计和运转上述工业设备具有重要的意义。
近年来，随着微尺度技术在医药行业、高热通量换热器、冷凝设备等方面的广泛应用，微通道内的两相流动和传热特性引起了越来越多的关注。微管道内气液两相对流传热的研究为微型传热设备、微型反应器的设计和开发提供了重要的冷模实验数据。特别是对于强放热气液反应微管道反应器的开发，提高其反应安全性、优化其反应路线等有着至关重要的作用。然而由于两相流动流型的多样性以及传热过程的复杂性，对它的研究还不深入。两相流璧面温度变化的不规律性导致传统热电偶测量的方法不能很好的描述全范围内璧面温度分布，需要采取其他的温度测量手段。
实验室测量两相对流传热系数的设备还比较少，并且主要针对于常规尺度的玻璃圆管，相比之下，不锈钢管圆管的两相对流传热特性对于工业生产更有意义。目前为止，针对教学实验用途，以不锈钢管内的两相对流传热为研究对象，操作简单、精度高、稳定性好的两相对流传热系数设备还没有报道。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种测量微管两相对流传热系数的教学实验装置。
测量微管两相对流传热系数的教学实验装置包括高精度微注射泵、压力表、储气罐、第一连接管件、第二连接管件、流量计、易拆卸混相器、恒温水浴槽、玻璃连接管、第一密封件、绝热黑腔体、微米级不锈钢管、进口端50微米K型热电偶、功率可调型加热单元、在线红外热检测仪、数据采集单元、抽气口、出口端50微米K型热电偶、第二密封件、流型观察器、第三连接管件、液体储罐、计算机；微注射泵经第一连接管件与易拆卸混相器的第一进口相连，储气罐经第二连接管件与易拆卸混相器的第二进口相连，易拆卸混相器的出口与玻璃连接管、微米级不锈钢管、流型观察器、第三连接管件一端顺次相连，第三连接管件另一端下方设有液体储罐，微米级不锈钢管外设有绝热黑腔体，微米级不锈钢管上设有进口端50微米K型热电偶、出口端50微米K型热电偶，同时还连接有两根加热导线并与功率可调型加热单元相连，并在微米级不锈钢管相对应处设有在线红外热检测仪，微米级不锈钢管两端与绝热黑腔体之间分别设有第一密封件、第二密封件，储气罐上设有压力表，第二连接管件上接有流量计，易拆卸混相器外设有恒温水浴槽，绝热黑腔体上设有抽气口，进口端50微米K型热电偶、出口端50微米K型热电偶通过数据采集单元与计算机相连，在线红外热检测仪与功率可调型加热单元与计算机相连。
所述的微米级不锈钢管的管径为0.1mm-1.5mm。所述的流型观察器采用玻璃材料，四周轴向开有多个0.1mm-1.5mm的不同内径的圆形通道，流型观察器中心轴固定在绝热黑腔体外壁上。
本发明针对的微管两相对流传热系数测量的难点，结合教学需要，采用在线红外热检测仪测量外壁面温度，非接触式测量不影响换热过程，响应速度快，安装方便，可以准确描述外壁面任意微元段的温度，得到连续的温度分布曲线；采用易拆卸混相器可以根据需要改变混相器的内径从而改变两相流流型，拆装方便；采用流型观察器可以克服不锈钢管无法判断管内流动状态的问题，匹配不同管径的微米级不锈钢管，保证不锈钢管内与流型观察器内的流型一致；通过RS232协议模块与计算机连接，由计算机控制电源输出功率大小、时间、方式，实时观察进出口流体温度、璧面温度，可以实现远程教学。
附图说明
图1是测量微管两相对流传热系数的教学实验装置的结构示意图；
图中，高精度微注射泵1、压力表2、储气罐3、第一连接管件4、第二连接管件5、流量计6、易拆卸混相器7、恒温水浴槽8、玻璃连接管9、第一密封件10、绝热黑腔体11、微米级不锈钢管12、进口端50微米K型热电偶13、功率可调型加热单元14、在线红外热检测仪15、数据采集单元16、抽气口17、出口端50微米K型热电偶18、第二密封件19、流型观察器20、第三连接管件21、液体储罐22、计算机23。
图2是测量微管两相对流传热系数的教学实验装置的流程框图。
具体实施方式
如图1所示，测量微管两相对流传热系数的教学实验装置包括高精度微注射泵1、压力表2、储气罐3、第一连接管件4、第二连接管件5、流量计6、易拆卸混相器7、恒温水浴槽8、玻璃连接管9、第一密封件10、绝热黑腔体11、微米级不锈钢管12、进口端50微米K型热电偶13、功率可调型加热单元14、在线红外热检测仪15、数据采集单元16、抽气口17、出口端50微米K型热电偶18、第二密封件19、流型观察器20、第三连接管件21、液体储罐22、计算机23；微注射泵1经第一连接管件4与易拆卸混相器7的第一进口相连，储气罐3经第二连接管件5与易拆卸混相器7的第二进口相连，易拆卸混相器7的出口与玻璃连接管9、微米级不锈钢管12、流型观察器20、第三连接管件21一端顺次相连，第三连接管件21另一端下方设有液体储罐22，微米级不锈钢管12外设有绝热黑腔体11，微米级不锈钢管12上设有进口端50微米K型热电偶13、出口端50微米K型热电偶18，同时还连接有两根加热导线并与功率可调型加热单元14相连，并在微米级不锈钢管12相对应处设有在线红外热检测仪15，微米级不锈钢管12两端与绝热黑腔体11之间分别设有第一密封件10、第二密封件19，储气罐3上设有压力表2，第二连接管件5上接有流量计6，易拆卸混相器7外设有恒温水浴槽8，绝热黑腔体11上设有抽气口17，进口端50微米K型热电偶13、出口端50微米K型热电偶18通过数据采集单元16与计算机23相连，在线红外热检测仪15与功率可调型加热单元14与计算机23相连。
所述的微米级不锈钢管12的管径为0.1mm-1.5mm。所述的流型观察器20采用玻璃材料，四周轴向开有多个0.1mm-1.5mm的不同内径的圆形通道，流型观察器20中心轴固定在绝热黑腔体（11）外壁上，转动流型观察器20匹配不同管径的微米级不锈钢管12，便于学生观察流型变化。
所述的功率可调型加热单元包括恒流加热源、RS232协议模块和计算机；恒流加热源与RS232协议模块连接，RS232协议模块与计算机连接。所述的在线红外热检测仪15可以检测微米级不锈钢管12外壁面轴向连续温度分布。所述的易拆卸混相器7可以根据需要更换尺寸改变两相流流型。
如图2所示，功率可调型加热单元通过RS232协议模块与计算机连接，由计算机控制输出电流大小、时间及输出方式；两相流对流传热检测单元输出信号通过数据采集单元处理后输入计算机。
测量微管两相对流传热系数的教学实验装置，其数据处理方法如下：
根据直流电源输入电流及加热段不锈钢微管电阻，可以计算输入功率，公式为：
（1）
其中
为输入功率，
为输入电流，
为加热段不锈钢微管电阻。
因此,可以得到微管道单位面积的功率为：
其中为微管道单位面积的输入功率，
为微管道内径，
为微管道加热段长度。
局部外璧面温度通过在线红外热检测仪测得，由于局部内壁面温度不易测量，我们采用一维热传导假设，可以得到局部内部面温度为：
其中，
为局部内壁面温度，
为局部外壁面温度，
为微管道单位体积输入功率，
为微管道材料导热系数，为微管道外径。
由于两相流的流动特性，局部璧面温度随着时间的变化而变化，一般取15分钟左右的平均璧面温度数据作为该点的温度值进行计算。
局部流体温度
可以通过测量进出口流体温度后进行线性插值计算得到，同样取15分钟左右的平均温度作为实际温度。
由上述测量得到单位面积的输入功率、局部内璧面温度和局部流体温度，根据对流传热系数的定义，可以计算得到微管道两相流局部对流传热系数：
Claims (3)
1.一种测量微管两相对流传热系数的教学实验装置，其特征在于包括高精度微注射泵（1）、压力表（2）、储气罐（3）、第一连接管件（4）、第二连接管件（5）、流量计（6）、易拆卸混相器（7）、恒温水浴槽（8）、玻璃连接管（9）、第一密封件（10）、绝热黑腔体（11）、微米级不锈钢管（12）、进口端50微米K型热电偶（13）、功率可调型加热单元（14）、在线红外热检测仪（15）、数据采集单元（16）、抽气口（17）、出口端50微米K型热电偶（18）、第二密封件（19）、流型观察器（20）、第三连接管件（21）、液体储罐（22）、计算机（23）；微注射泵（1）经第一连接管件（4）与易拆卸混相器（7）的第一进口相连，储气罐（3）经第二连接管件（5）与易拆卸混相器（7）的第二进口相连，易拆卸混相器（7）的出口与玻璃连接管（9）、微米级不锈钢管（12）、流型观察器（20）、第三连接管件（21）一端顺次相连，第三连接管件（21）另一端下方设有液体储罐（22），微米级不锈钢管（12）外设有绝热黑腔体（11），微米级不锈钢管（12）上设有进口端50微米K型热电偶（13）、出口端50微米K型热电偶（18），同时还连接有两根加热导线并与功率可调型加热单元（14）相连，并在微米级不锈钢管（12）相对应处设有在线红外热检测仪（15），微米级不锈钢管（12）两端与绝热黑腔体（11）之间分别设有第一密封件（10）、第二密封件（19），储气罐（3）上设有压力表（2），第二连接管件（5）上接有流量计（6），易拆卸混相器（7）外设有恒温水浴槽（8），绝热黑腔体（11）上设有抽气口（17），进口端50微米K型热电偶（13）、出口端50微米K型热电偶（18）通过数据采集单元（16）与计算机（23）相连，在线红外热检测仪（15）与功率可调型加热单元（14）与计算机（23）相连。
2.根据权利要求1所述的一种测量微管两相对流传热系数的教学实验装置，其特征在于所述的微米级不锈钢管（12）的管径为0.1mm-1.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种测量微管两相对流传热系数的教学实验装置，其特征在于所述的流型观察器（20）采用玻璃材料，四周轴向开有多个0.1mm-1.5mm的不同内径的圆形通道，流型观察器（20）中心轴固定在绝热黑腔体（11）外壁上。
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Granted publication date: 20130605 Termination date: 20190725 |
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