測量微管對流傳熱係數的教學實驗裝置的製作方法

2023-06-22 05:50:21 1

專利名稱：測量微管對流傳熱係數的教學實驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及測量對流傳熱係數領域，尤其涉及一種測量微管對流傳熱係數的教學 實驗裝置。
背景技術：
化工工業中，很多過程和單元操作都需要傳熱，而對流傳熱應用最為普遍，是化工 中傳熱計算的基礎，也是探索強化或削弱傳熱的重要途徑。工程中的對流傳熱是流體流過 固體表面時發生的對流和傳導聯合作用的傳熱過程，對流傳熱係數反映了流體與固體表面 的換熱能力，其物理意義為當流體與固體表面之間的溫度差為IK時，單位壁面面積在單位 時間所能傳遞的熱量，單位為W/(HI2K)。對於化工類專業學生，了解和掌握流體對流傳熱系 數的測定方法，對於加深其傳熱單元操作的理解具有重要的意義。近年來，隨著微化工技術的發展，微管道對流傳熱的研究引起了越來越多研究人 員的關注，微管道對流傳熱的研究為微型傳熱設備、微型反應器、微型熱泵的設計和開發提 供了重要的冷模實驗數據。特別是對於強放熱微管道反應器的開發，提高其反應安全性、 優化其反應路線等有著至關重要的作用。然而由於金屬微管道尺寸通常只有百微米級，實 驗需要在絕熱條件下進行等原因，流體溫度測量和管道線路的連接存在著許多困難，研究 人員提出過採用雲母帶和絕熱海綿包裹微管道絕熱的方法，但是在更換測試管路時操作復 雜，也提出過紅外檢測和熱敏液晶等測量溫度的方法，但對於設備的要求較高，投入也較 大。目前為止，實驗室使用的對流傳熱係數測定設備主要針對於常規管徑(內徑大於 1mm)，針對教學實驗用途，操作簡單、成本低、穩定性高的測量微尺度下對流傳熱係數的實 驗裝置還沒有報導。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種測量微管對流傳熱係數的教學實
驗裝置。測量微管對流傳熱係數的教學實驗裝置包括相連的真空絕熱腔、功率可調型加熱 單元、數據採集卡和計算機，其中真空絕熱腔包括不鏽鋼外腔體、腔體壓力檢測口、抽氣口、 絕緣密封接線面板、螺栓、緊固件、0型圈、接線端子、進出口管道、混合腔、金屬兩通接頭、氟 橡膠墊圈、微米級金屬管、50 μ m熱電偶、PtlOO測溫探頭、壓力傳感器、加熱導線；不鏽鋼外 腔體設有腔體壓力檢測口和抽氣口，絕緣密封接線面板通過螺栓與不鏽鋼外腔體連接，接 線端子固定在絕緣密封接線面板上，金屬兩通接頭一側與微米級金屬管連接，利用金屬兩 通接頭內安裝氟橡膠墊圈固定，金屬兩通接頭另一側與混合腔連接，流體進出口管道一端 與混合腔連接，流體進出口管道另一端通過緊固件與絕緣密封接線面板連接，在緊固件與 流體進出口管道連接處設有0形圈，混合腔上端安裝PtlOO測溫探頭，混合腔下端安裝壓力 傳感器，50 μ m熱電偶和加熱導線連接在微米級金屬管的外壁，所有導線通過接線端子引出不鏽鋼外腔體。所述的功率可調型加熱單元包括恆流加熱源、RS232協議模塊和計算機；恆流加 熱源與RS232協議模塊連接，RS232協議模塊與計算機連接。所述的微米級金屬管採用功 率可調型加熱單元加熱。本發明針對的微管對流熱係數測量的難點，結合教學需要，採用絕緣密封接線面 板，可以保證在抽真空狀態下導線的正常連接；提出了利用混合腔連接微管，保證微管道 易拆卸，無損壞，流體可以在微小腔體內實現充分混合，熱電阻及壓力傳感器可以與混合腔 連接，測定流體進出口溫度及進出口壓力，非侵入式測量不會對微管道的流動傳熱產生影 響；璧面溫度採用50μπι熱電偶測量，響應速度快，拆裝簡單，成本低；通過功率可調型加熱 單元對微管輸入能量，通過RS232協議模塊與計算機連接，由計算機控制功率輸出大小、時 間、方式，可以實現遠程教學。


圖1是測量微管對流傳熱係數的教學實驗裝置的結構示意圖； 圖2是測量微管對流傳熱係數的教學實驗裝置沿管線方向的剖面圖； 圖3是測量微管對流傳熱係數的教學實驗裝置沿管截面方向的剖面圖。
具體實施例方式如圖所示，測量微管對流傳熱係數的教學實驗裝置包括相連的真空絕熱腔、功率 可調型加熱單元、數據採集卡和計算機，其中真空絕熱腔包括不鏽鋼外腔體1、腔體壓力檢 測口 2、抽氣口 3、絕緣密封接線面板4、螺栓5、緊固件6、0型圈7、接線端子8、進出口管道 9、混合腔10、金屬兩通接頭11、氟橡膠墊圈12、微米級金屬管13、50 μ m熱電偶14、Ptl00測 溫探頭15、壓力傳感器16、加熱導線17 ；不鏽鋼外腔體1設有腔體壓力檢測口 2和抽氣口 3，絕緣密封接線面板4通過螺栓5與不鏽鋼外腔體1連接，接線端子8固定在絕緣密封接 線面板4上，金屬兩通接頭11 一側與微米級金屬管13連接，利用金屬兩通接頭11內安裝 氟橡膠墊圈12固定，金屬兩通接頭11另一側與混合腔10連接，流體進出口管道9 一端與 混合腔10連接，流體進出口管道9另一端通過緊固件5與絕緣密封接線面板4連接，在緊 固件5與流體進出口管道9連接處設有0形圈7，混合腔10上端安裝PtlOO測溫探頭15， 混合腔10下端安裝壓力傳感器16，50 μ m熱電偶14和加熱導線17連接在微米級金屬管13 的外壁，所有導線通過接線端子8引出不鏽鋼外腔體1。所述的功率可調型加熱單元包括恆流加熱源、RS232協議模塊和計算機；恆流加 熱源與RS232協議模塊連接，RS232協議模塊與計算機連接。所述的微米級金屬管13採用 功率可調型加熱單元加熱。所述的真空絕熱腔採用抽真空方法消除微米級金屬管13與環 境傳熱。測量微管對流傳熱係數的教學實驗裝置，其數據處理方法如下 根據進出口 PtlOO測溫探頭讀數，可以計算輸入功率，公式為
Q 二 鄉？ (^ar — ^Im)( 1)
其中β為輸入功率，m為質量流量，為流體比熱容，和？；分別為流體進出口溫度。 因此，可以得到微管道單位面積的功率為
_ Q
(2)
2J^ttZ
其中釣為微管道單位面積的輸入功本 力微管道內徑，L為微管道加熱段長度。
局部外壁面溫度由50 μ m熱電偶測得，由於局部內壁面溫度不易測量，我們採用 一維熱傳導假設，可以得到局部內部面溫度為
卜 KS.
R
(3)
其中，？為局部內壁面溫度，為局部外壁面溫度，Se為微管道單位體積輸入功率，
K為微管道材料導熱係數，4為微管道外徑。局部流體溫度可以通過能量守恆方程得到
⑷
其中I為局部流體溫度，4為軸向長度。由公式(2)、(3)、(4)可以得到單位面積的輸入功率、局部內璧面溫度和局部流體 溫度，根據對流傳熱係數的定義，可以計算得到微管道局部對流傳熱係數
k = ^^ (5) T -T wn Im
目前已針對去離子水、環己烷、正己烷、環己酮、乙酸乙酯、乙醇水溶液、無水乙醇、環戊 烷等九個體系在內徑為0. 342,0. 562,1. 04mm的水平不鏽鋼管道上進行了實驗，利用本發 明所提到的裝置和方法，已對雷諾數55-333的情況進行了測試，取得了良好的效果。本發明的工作過程如下
(1)實驗開始前，使用真空泵對真空絕熱腔抽真空，當腔體壓力檢測器示數小於IOOPa 後，開始通入流體。被測流體流速由注射泵控制，通過調節恆溫水浴槽控制流體進口溫度恆 定。(2)當進出口流體溫度穩定後，打開功率可調型加熱單元，通過計算機內自編的微 管對流傳熱實驗教學軟體設定輸入電流、輸入時間，璧面溫度、流體進出口溫度、流體進出 口壓力、腔體內壓力可以在軟體中實時讀取。(3)通過觀察出口 PtlOO測溫探頭數據確定實驗終點，當溫度變化小於 0. rC/15min後，可認為系統達到穩定。讀取穩定後10分鐘內流體進出口溫度及璧面溫度， 根據本專利上述的數據處理方法即可得到被測流體的對流傳熱係數。
權利要求
1.一種測量微管對流傳熱係數的教學實驗裝置，其特徵在於包括相連的真空絕熱腔、 功率可調型加熱單元、數據採集卡和計算機，其中真空絕熱腔包括不鏽鋼外腔體(1)、腔體 壓力檢測口(2)、抽氣口(3)、絕緣密封接線面板(4)、螺栓(5)、緊固件(6)、O型圈(7)、接線 端子(8)、進出口管道(9)、混合腔(10)、金屬兩通接頭(11)、氟橡膠墊圈(12)、微米級金屬 管(13)、50μπι熱電偶(14)、Ptl00測溫探頭(15)、壓力傳感器(16)、加熱導線(17);不鏽鋼 外腔體(1)設有腔體壓力檢測口(2)和抽氣口(3)，絕緣密封接線面板(4)通過螺栓(5)與 不鏽鋼外腔體(1)連接，接線端子(8 )固定在絕緣密封接線面板(4 )上，金屬兩通接頭(11) 一側與微米級金屬管(13)連接，利用金屬兩通接頭(11)內安裝氟橡膠墊圈(12)固定，金屬 兩通接頭(11)另一側與混合腔(10)連接，流體進出口管道(9) 一端與混合腔(10)連接，流 體進出口管道(9)另一端通過緊固件(5)與絕緣密封接線面板(4)連接，在緊固件(5)與流 體進出口管道(9)連接處設有O形圈(7)，混合腔(10)上端安裝PtlOO測溫探頭(15)，混合 腔(10)下端安裝壓力傳感器(16)，50 μ m熱電偶(14)和加熱導線(17)連接在微米級金屬 管(13)的外壁，所有導線通過接線端子(8)引出不鏽鋼外腔體(1)。
2.根據權利要求1所述的一種測量微管對流傳熱係數的教學實驗裝置，其特徵在於所 述的功率可調型加熱單元包括恆流加熱源、RS232協議模塊和計算機；恆流加熱源與RS232 協議模塊連接，RS232協議模塊與計算機連接。
3.根據權利要求1所述的一種測量微管對流傳熱係數的教學實驗裝置，其特徵在於所 述的微米級金屬管(13)採用功率可調型加熱單元加熱。
全文摘要
本發明公開了一種測量微管對流傳熱係數的教學實驗裝置。它包括相連的真空絕熱腔、功率可調型加熱單元、數據採集卡和計算機。絕緣密封接線面板通過螺栓與不鏽鋼外腔體連接，接線端子固定在絕緣密封接線面板上，金屬兩通接頭一側與微米級金屬管連接，利用金屬兩通接頭內安裝氟橡膠墊圈固定，金屬兩通接頭另一側與混合腔連接，流體進出口管道一端與混合腔連接，流體進出口管道另一端通過緊固件與絕緣密封接線面板連接，混合腔上端安裝Pt100測溫探頭，混合腔下端安裝壓力傳感器，50μm熱電偶連接在微米級金屬管的外壁。本發明設備針對教學實驗用途，具有成本低，操作簡單，穩定性高等優點，所有操作及數據採集處理通過計算機完成，可以實現遠程教學。
文檔編號G09B23/16GK102110387SQ20111002836
公開日2011年6月29日 申請日期2011年1月26日 優先權日2011年1月26日
發明者何潮洪, 吳可君, 周俊超, 王磊, 車圓圓, 黃志堯 申請人:浙江大學