專利名稱：測量微管對流傳熱系數(shù)的教學(xué)實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量對流傳熱系數(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種測量微管對流傳熱系數(shù)的教學(xué) 實驗裝置。
背景技術(shù)：
化工工業(yè)中，很多過程和單元操作都需要傳熱，而對流傳熱應(yīng)用最為普遍，是化工 中傳熱計算的基礎(chǔ)，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(fā)生的對流和傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過程，對流傳熱系數(shù)反映了流體與固體表面 的換熱能力，其物理意義為當(dāng)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)。對于化工類專業(yè)學(xué)生，了解和掌握流體對流傳熱系 數(shù)的測定方法，對于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(shù)的發(fā)展，微管道對流傳熱的研究引起了越來越多研究人 員的關(guān)注，微管道對流傳熱的研究為微型傳熱設(shè)備、微型反應(yīng)器、微型熱泵的設(shè)計和開發(fā)提 供了重要的冷模實驗數(shù)據(jù)。特別是對于強放熱微管道反應(yīng)器的開發(fā)，提高其反應(yīng)安全性、 優(yōu)化其反應(yīng)路線等有著至關(guān)重要的作用。然而由于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(jìn)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 人員提出過采用云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(fù) 雜，也提出過紅外檢測和熱敏液晶等測量溫度的方法，但對于設(shè)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系數(shù)測定設(shè)備主要針對于常規(guī)管徑(內(nèi)徑大于 1mm)，針對教學(xué)實驗用途，操作簡單、成本低、穩(wěn)定性高的測量微尺度下對流傳熱系數(shù)的實 驗裝置還沒有報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種測量微管對流傳熱系數(shù)的教學(xué)實
驗裝置。測量微管對流傳熱系數(shù)的教學(xué)實驗裝置包括相連的真空絕熱腔、功率可調(diào)型加熱 單元、數(shù)據(jù)采集卡和計算機，其中真空絕熱腔包括不銹鋼外腔體、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(jìn)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(dǎo)線；不銹鋼外 腔體設(shè)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銹鋼外腔體連接，接 線端子固定在絕緣密封接線面板上，金屬兩通接頭一側(cè)與微米級金屬管連接，利用金屬兩 通接頭內(nèi)安裝氟橡膠墊圈固定，金屬兩通接頭另一側(cè)與混合腔連接，流體進(jìn)出口管道一端 與混合腔連接，流體進(jìn)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(jìn)出口管道連接處設(shè)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(dǎo)線連接在微米級金屬管的外壁，所有導(dǎo)線通過接線端子引出不銹鋼外腔體。所述的功率可調(diào)型加熱單元包括恒流加熱源、RS232協(xié)議模塊和計算機；恒流加 熱源與RS232協(xié)議模塊連接，RS232協(xié)議模塊與計算機連接。所述的微米級金屬管采用功 率可調(diào)型加熱單元加熱。本發(fā)明針對的微管對流熱系數(shù)測量的難點，結(jié)合教學(xué)需要，采用絕緣密封接線面 板，可以保證在抽真空狀態(tài)下導(dǎo)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(nèi)實現(xiàn)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(jìn)出口溫度及進(jìn)出口壓力，非侵入式測量不會對微管道的流動傳熱產(chǎn)生影 響；璧面溫度采用50μπι熱電偶測量，響應(yīng)速度快，拆裝簡單，成本低；通過功率可調(diào)型加熱 單元對微管輸入能量，通過RS232協(xié)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(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)。


圖1是測量微管對流傳熱系數(shù)的教學(xué)實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是測量微管對流傳熱系數(shù)的教學(xué)實驗裝置沿管線方向的剖面圖； 圖3是測量微管對流傳熱系數(shù)的教學(xué)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，測量微管對流傳熱系數(shù)的教學(xué)實驗裝置包括相連的真空絕熱腔、功率 可調(diào)型加熱單元、數(shù)據(jù)采集卡和計算機，其中真空絕熱腔包括不銹鋼外腔體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(jìn)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(dǎo)線17 ；不銹鋼外腔體1設(shè)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與不銹鋼外腔體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(cè)與微米級金屬管13連接，利用金屬兩通接頭11內(nèi)安裝 氟橡膠墊圈12固定，金屬兩通接頭11另一側(cè)與混合腔10連接，流體進(jìn)出口管道9 一端與 混合腔10連接，流體進(jìn)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(jìn)出口管道9連接處設(shè)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(dǎo)線17連接在微米級金屬管13 的外壁，所有導(dǎo)線通過接線端子8引出不銹鋼外腔體1。所述的功率可調(diào)型加熱單元包括恒流加熱源、RS232協(xié)議模塊和計算機；恒流加 熱源與RS232協(xié)議模塊連接，RS232協(xié)議模塊與計算機連接。所述的微米級金屬管13采用 功率可調(diào)型加熱單元加熱。所述的真空絕熱腔采用抽真空方法消除微米級金屬管13與環(huán) 境傳熱。測量微管對流傳熱系數(shù)的教學(xué)實驗裝置，其數(shù)據(jù)處理方法如下 根據(jù)進(jìn)出口 PtlOO測溫探頭讀數(shù)，可以計算輸入功率，公式為
Q 二 鄉(xiāng)？ (^ar — ^Im)( 1)
其中β為輸入功率，m為質(zhì)量流量，為流體比熱容，和？；分別為流體進(jìn)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(nèi)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，由于局部內(nèi)壁面溫度不易測量，我們采用 一維熱傳導(dǎo)假設(shè)，可以得到局部內(nèi)部面溫度為
卜 KS.
R
(3)
其中，？為局部內(nèi)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(dǎo)熱系數(shù)，4為微管道外徑。局部流體溫度可以通過能量守恒方程得到
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(nèi)璧面溫度和局部流體 溫度，根據(jù)對流傳熱系數(shù)的定義，可以計算得到微管道局部對流傳熱系數(shù)
k = ^^ (5) T -T wn Im
目前已針對去離子水、環(huán)己烷、正己烷、環(huán)己酮、乙酸乙酯、乙醇水溶液、無水乙醇、環(huán)戊 烷等九個體系在內(nèi)徑為0. 342,0. 562,1. 04mm的水平不銹鋼管道上進(jìn)行了實驗，利用本發(fā) 明所提到的裝置和方法，已對雷諾數(shù)55-333的情況進(jìn)行了測試，取得了良好的效果。本發(fā)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(dāng)腔體壓力檢測器示數(shù)小于IOOPa 后，開始通入流體。被測流體流速由注射泵控制，通過調(diào)節(jié)恒溫水浴槽控制流體進(jìn)口溫度恒 定。(2)當(dāng)進(jìn)出口流體溫度穩(wěn)定后，打開功率可調(diào)型加熱單元，通過計算機內(nèi)自編的微 管對流傳熱實驗教學(xué)軟件設(shè)定輸入電流、輸入時間，璧面溫度、流體進(jìn)出口溫度、流體進(jìn)出 口壓力、腔體內(nèi)壓力可以在軟件中實時讀取。(3)通過觀察出口 PtlOO測溫探頭數(shù)據(jù)確定實驗終點，當(dāng)溫度變化小于 0. rC/15min后，可認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。讀取穩(wěn)定后10分鐘內(nèi)流體進(jìn)出口溫度及璧面溫度， 根據(jù)本專利上述的數(shù)據(jù)處理方法即可得到被測流體的對流傳熱系數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種測量微管對流傳熱系數(shù)的教學(xué)實驗裝置，其特征在于包括相連的真空絕熱腔、 功率可調(diào)型加熱單元、數(shù)據(jù)采集卡和計算機，其中真空絕熱腔包括不銹鋼外腔體(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(jìn)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(dǎo)線(17);不銹鋼 外腔體(1)設(shè)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 不銹鋼外腔體(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(cè)與微米級金屬管(13)連接，利用金屬兩通接頭(11)內(nèi)安裝氟橡膠墊圈(12)固定，金屬 兩通接頭(11)另一側(cè)與混合腔(10)連接，流體進(jìn)出口管道(9) 一端與混合腔(10)連接，流 體進(jìn)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(jìn)出口管道(9)連接處設(shè)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(dǎo)線(17)連接在微米級金屬 管(13)的外壁，所有導(dǎo)線通過接線端子(8)引出不銹鋼外腔體(1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量微管對流傳熱系數(shù)的教學(xué)實驗裝置，其特征在于所 述的功率可調(diào)型加熱單元包括恒流加熱源、RS232協(xié)議模塊和計算機；恒流加熱源與RS232 協(xié)議模塊連接，RS232協(xié)議模塊與計算機連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量微管對流傳熱系數(shù)的教學(xué)實驗裝置，其特征在于所 述的微米級金屬管(13)采用功率可調(diào)型加熱單元加熱。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量微管對流傳熱系數(shù)的教學(xué)實驗裝置。它包括相連的真空絕熱腔、功率可調(diào)型加熱單元、數(shù)據(jù)采集卡和計算機。絕緣密封接線面板通過螺栓與不銹鋼外腔體連接，接線端子固定在絕緣密封接線面板上，金屬兩通接頭一側(cè)與微米級金屬管連接，利用金屬兩通接頭內(nèi)安裝氟橡膠墊圈固定，金屬兩通接頭另一側(cè)與混合腔連接，流體進(jìn)出口管道一端與混合腔連接，流體進(jìn)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(fā)明設(shè)備針對教學(xué)實驗用途，具有成本低，操作簡單，穩(wěn)定性高等優(yōu)點，所有操作及數(shù)據(jù)采集處理通過計算機完成，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)。
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(yōu)先權(quán)日2011年1月26日
發(fā)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(xué)