测量微管对流传热系数的教学实验装置的制作方法
专利名称：测量微管对流传热系数的教学实验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量对流传热系数领域，尤其涉及一种测量微管对流传热系数的教学 实验装置。
背景技术：
化工工业中，很多过程和单元操作都需要传热，而对流传热应用最为普遍，是化工 中传热计算的基础，也是探索强化或削弱传热的重要途径。工程中的对流传热是流体流过 固体表面时发生的对流和传导联合作用的传热过程，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IK时，单位壁面面积在单位 时间所能传递的热量，单位为W/(HI2K)。对于化工类专业学生，了解和掌握流体对流传热系 数的测定方法，对于加深其传热单元操作的理解具有重要的意义。近年来，随着微化工技术的发展，微管道对流传热的研究引起了越来越多研究人 员的关注，微管道对流传热的研究为微型传热设备、微型反应器、微型热泵的设计和开发提 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。然而由于金属微管道尺寸通常只有百微米级，实 验需要在绝热条件下进行等原因，流体温度测量和管道线路的连接存在着许多困难，研究 人员提出过采用云母带和绝热海绵包裹微管道绝热的方法，但是在更换测试管路时操作复 杂，也提出过红外检测和热敏液晶等测量温度的方法，但对于设备的要求较高，投入也较 大。目前为止，实验室使用的对流传热系数测定设备主要针对于常规管径(内径大于 1mm)，针对教学实验用途，操作简单、成本低、稳定性高的测量微尺度下对流传热系数的实 验装置还没有报道。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种测量微管对流传热系数的教学实
验装置。测量微管对流传热系数的教学实验装置包括相连的真空绝热腔、功率可调型加热 单元、数据采集卡和计算机，其中真空绝热腔包括不锈钢外腔体、腔体压力检测口、抽气口、 绝缘密封接线面板、螺栓、紧固件、0型圈、接线端子、进出口管道、混合腔、金属两通接头、氟 橡胶垫圈、微米级金属管、50 μ m热电偶、PtlOO测温探头、压力传感器、加热导线；不锈钢外 腔体设有腔体压力检测口和抽气口，绝缘密封接线面板通过螺栓与不锈钢外腔体连接，接 线端子固定在绝缘密封接线面板上，金属两通接头一侧与微米级金属管连接，利用金属两 通接头内安装氟橡胶垫圈固定，金属两通接头另一侧与混合腔连接，流体进出口管道一端 与混合腔连接，流体进出口管道另一端通过紧固件与绝缘密封接线面板连接，在紧固件与 流体进出口管道连接处设有0形圈，混合腔上端安装PtlOO测温探头，混合腔下端安装压力 传感器，50 μ m热电偶和加热导线连接在微米级金属管的外壁，所有导线通过接线端子引出不锈钢外腔体。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。所述的微米级金属管采用功 率可调型加热单元加热。本发明针对的微管对流热系数测量的难点，结合教学需要，采用绝缘密封接线面 板，可以保证在抽真空状态下导线的正常连接；提出了利用混合腔连接微管，保证微管道 易拆卸，无损坏，流体可以在微小腔体内实现充分混合，热电阻及压力传感器可以与混合腔 连接，测定流体进出口温度及进出口压力，非侵入式测量不会对微管道的流动传热产生影 响；璧面温度采用50μπι热电偶测量，响应速度快，拆装简单，成本低；通过功率可调型加热 单元对微管输入能量，通过RS232协议模块与计算机连接，由计算机控制功率输出大小、时 间、方式，可以实现远程教学。
图1是测量微管对流传热系数的教学实验装置的结构示意图； 图2是测量微管对流传热系数的教学实验装置沿管线方向的剖面图； 图3是测量微管对流传热系数的教学实验装置沿管截面方向的剖面图。
具体实施例方式如图所示，测量微管对流传热系数的教学实验装置包括相连的真空绝热腔、功率 可调型加热单元、数据采集卡和计算机，其中真空绝热腔包括不锈钢外腔体1、腔体压力检 测口 2、抽气口 3、绝缘密封接线面板4、螺栓5、紧固件6、0型圈7、接线端子8、进出口管道 9、混合腔10、金属两通接头11、氟橡胶垫圈12、微米级金属管13、50 μ m热电偶14、Ptl00测 温探头15、压力传感器16、加热导线17 ；不锈钢外腔体1设有腔体压力检测口 2和抽气口 3，绝缘密封接线面板4通过螺栓5与不锈钢外腔体1连接，接线端子8固定在绝缘密封接 线面板4上，金属两通接头11 一侧与微米级金属管13连接，利用金属两通接头11内安装 氟橡胶垫圈12固定，金属两通接头11另一侧与混合腔10连接，流体进出口管道9 一端与 混合腔10连接，流体进出口管道9另一端通过紧固件5与绝缘密封接线面板4连接，在紧 固件5与流体进出口管道9连接处设有0形圈7，混合腔10上端安装PtlOO测温探头15， 混合腔10下端安装压力传感器16，50 μ m热电偶14和加热导线17连接在微米级金属管13 的外壁，所有导线通过接线端子8引出不锈钢外腔体1。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。所述的微米级金属管13采用 功率可调型加热单元加热。所述的真空绝热腔采用抽真空方法消除微米级金属管13与环 境传热。测量微管对流传热系数的教学实验装置，其数据处理方法如下 根据进出口 PtlOO测温探头读数，可以计算输入功率，公式为
Q 二 鄉？ (^ar — ^Im)( 1)
其中β为输入功率，m为质量流量，为流体比热容，和？；分别为流体进出口温度。 因此，可以得到微管道单位面积的功率为
_ Q
(2)
2J^ttZ
其中釣为微管道单位面积的输入功本 力微管道内径，L为微管道加热段长度。
局部外壁面温度由50 μ m热电偶测得，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
卜 KS.
R
(3)
其中，？为局部内壁面温度，为局部外壁面温度，Se为微管道单位体积输入功率，
K为微管道材料导热系数，4为微管道外径。局部流体温度可以通过能量守恒方程得到
⑷
其中I为局部流体温度，4为轴向长度。由公式(2)、(3)、(4)可以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局部对流传热系数
k = ^^ (5) T -T wn Im
目前已针对去离子水、环己烷、正己烷、环己酮、乙酸乙酯、乙醇水溶液、无水乙醇、环戊 烷等九个体系在内径为0. 342,0. 562,1. 04mm的水平不锈钢管道上进行了实验，利用本发 明所提到的装置和方法，已对雷诺数55-333的情况进行了测试，取得了良好的效果。本发明的工作过程如下
(1)实验开始前，使用真空泵对真空绝热腔抽真空，当腔体压力检测器示数小于IOOPa 后，开始通入流体。被测流体流速由注射泵控制，通过调节恒温水浴槽控制流体进口温度恒 定。(2)当进出口流体温度稳定后，打开功率可调型加热单元，通过计算机内自编的微 管对流传热实验教学软件设定输入电流、输入时间，璧面温度、流体进出口温度、流体进出 口压力、腔体内压力可以在软件中实时读取。(3)通过观察出口 PtlOO测温探头数据确定实验终点，当温度变化小于 0. rC/15min后，可认为系统达到稳定。读取稳定后10分钟内流体进出口温度及璧面温度， 根据本专利上述的数据处理方法即可得到被测流体的对流传热系数。
权利要求
1.一种测量微管对流传热系数的教学实验装置，其特征在于包括相连的真空绝热腔、 功率可调型加热单元、数据采集卡和计算机，其中真空绝热腔包括不锈钢外腔体(1)、腔体 压力检测口(2)、抽气口(3)、绝缘密封接线面板(4)、螺栓(5)、紧固件(6)、O型圈(7)、接线 端子(8)、进出口管道(9)、混合腔(10)、金属两通接头(11)、氟橡胶垫圈(12)、微米级金属 管(13)、50μπι热电偶(14)、Ptl00测温探头(15)、压力传感器(16)、加热导线(17);不锈钢 外腔体(1)设有腔体压力检测口(2)和抽气口(3)，绝缘密封接线面板(4)通过螺栓(5)与 不锈钢外腔体(1)连接，接线端子(8 )固定在绝缘密封接线面板(4 )上，金属两通接头(11) 一侧与微米级金属管(13)连接，利用金属两通接头(11)内安装氟橡胶垫圈(12)固定，金属 两通接头(11)另一侧与混合腔(10)连接，流体进出口管道(9) 一端与混合腔(10)连接，流 体进出口管道(9)另一端通过紧固件(5)与绝缘密封接线面板(4)连接，在紧固件(5)与流 体进出口管道(9)连接处设有O形圈(7)，混合腔(10)上端安装PtlOO测温探头(15)，混合 腔(10)下端安装压力传感器(16)，50 μ m热电偶(14)和加热导线(17)连接在微米级金属 管(13)的外壁，所有导线通过接线端子(8)引出不锈钢外腔体(1)。
2.根据权利要求1所述的一种测量微管对流传热系数的教学实验装置，其特征在于所 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。
3.根据权利要求1所述的一种测量微管对流传热系数的教学实验装置，其特征在于所 述的微米级金属管(13)采用功率可调型加热单元加热。
全文摘要
本发明公开了一种测量微管对流传热系数的教学实验装置。它包括相连的真空绝热腔、功率可调型加热单元、数据采集卡和计算机。绝缘密封接线面板通过螺栓与不锈钢外腔体连接，接线端子固定在绝缘密封接线面板上，金属两通接头一侧与微米级金属管连接，利用金属两通接头内安装氟橡胶垫圈固定，金属两通接头另一侧与混合腔连接，流体进出口管道一端与混合腔连接，流体进出口管道另一端通过紧固件与绝缘密封接线面板连接，混合腔上端安装Pt100测温探头，混合腔下端安装压力传感器，50μm热电偶连接在微米级金属管的外壁。本发明设备针对教学实验用途，具有成本低，操作简单，稳定性高等优点，所有操作及数据采集处理通过计算机完成，可以实现远程教学。
文档编号G09B23/16GK102110387SQ20111002836
公开日2011年6月29日 申请日期2011年1月26日 优先权日2011年1月26日
发明者何潮洪, 吴可君, 周俊超, 王磊, 车圆圆, 黄志尧 申请人:浙江大学
技术领域：
本发明涉及测量对流传热系数领域，尤其涉及一种测量微管对流传热系数的教学 实验装置。
背景技术：
化工工业中，很多过程和单元操作都需要传热，而对流传热应用最为普遍，是化工 中传热计算的基础，也是探索强化或削弱传热的重要途径。工程中的对流传热是流体流过 固体表面时发生的对流和传导联合作用的传热过程，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IK时，单位壁面面积在单位 时间所能传递的热量，单位为W/(HI2K)。对于化工类专业学生，了解和掌握流体对流传热系 数的测定方法，对于加深其传热单元操作的理解具有重要的意义。近年来，随着微化工技术的发展，微管道对流传热的研究引起了越来越多研究人 员的关注，微管道对流传热的研究为微型传热设备、微型反应器、微型热泵的设计和开发提 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。然而由于金属微管道尺寸通常只有百微米级，实 验需要在绝热条件下进行等原因，流体温度测量和管道线路的连接存在着许多困难，研究 人员提出过采用云母带和绝热海绵包裹微管道绝热的方法，但是在更换测试管路时操作复 杂，也提出过红外检测和热敏液晶等测量温度的方法，但对于设备的要求较高，投入也较 大。目前为止，实验室使用的对流传热系数测定设备主要针对于常规管径(内径大于 1mm)，针对教学实验用途，操作简单、成本低、稳定性高的测量微尺度下对流传热系数的实 验装置还没有报道。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种测量微管对流传热系数的教学实
验装置。测量微管对流传热系数的教学实验装置包括相连的真空绝热腔、功率可调型加热 单元、数据采集卡和计算机，其中真空绝热腔包括不锈钢外腔体、腔体压力检测口、抽气口、 绝缘密封接线面板、螺栓、紧固件、0型圈、接线端子、进出口管道、混合腔、金属两通接头、氟 橡胶垫圈、微米级金属管、50 μ m热电偶、PtlOO测温探头、压力传感器、加热导线；不锈钢外 腔体设有腔体压力检测口和抽气口，绝缘密封接线面板通过螺栓与不锈钢外腔体连接，接 线端子固定在绝缘密封接线面板上，金属两通接头一侧与微米级金属管连接，利用金属两 通接头内安装氟橡胶垫圈固定，金属两通接头另一侧与混合腔连接，流体进出口管道一端 与混合腔连接，流体进出口管道另一端通过紧固件与绝缘密封接线面板连接，在紧固件与 流体进出口管道连接处设有0形圈，混合腔上端安装PtlOO测温探头，混合腔下端安装压力 传感器，50 μ m热电偶和加热导线连接在微米级金属管的外壁，所有导线通过接线端子引出不锈钢外腔体。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。所述的微米级金属管采用功 率可调型加热单元加热。本发明针对的微管对流热系数测量的难点，结合教学需要，采用绝缘密封接线面 板，可以保证在抽真空状态下导线的正常连接；提出了利用混合腔连接微管，保证微管道 易拆卸，无损坏，流体可以在微小腔体内实现充分混合，热电阻及压力传感器可以与混合腔 连接，测定流体进出口温度及进出口压力，非侵入式测量不会对微管道的流动传热产生影 响；璧面温度采用50μπι热电偶测量，响应速度快，拆装简单，成本低；通过功率可调型加热 单元对微管输入能量，通过RS232协议模块与计算机连接，由计算机控制功率输出大小、时 间、方式，可以实现远程教学。
图1是测量微管对流传热系数的教学实验装置的结构示意图； 图2是测量微管对流传热系数的教学实验装置沿管线方向的剖面图； 图3是测量微管对流传热系数的教学实验装置沿管截面方向的剖面图。
具体实施例方式如图所示，测量微管对流传热系数的教学实验装置包括相连的真空绝热腔、功率 可调型加热单元、数据采集卡和计算机，其中真空绝热腔包括不锈钢外腔体1、腔体压力检 测口 2、抽气口 3、绝缘密封接线面板4、螺栓5、紧固件6、0型圈7、接线端子8、进出口管道 9、混合腔10、金属两通接头11、氟橡胶垫圈12、微米级金属管13、50 μ m热电偶14、Ptl00测 温探头15、压力传感器16、加热导线17 ；不锈钢外腔体1设有腔体压力检测口 2和抽气口 3，绝缘密封接线面板4通过螺栓5与不锈钢外腔体1连接，接线端子8固定在绝缘密封接 线面板4上，金属两通接头11 一侧与微米级金属管13连接，利用金属两通接头11内安装 氟橡胶垫圈12固定，金属两通接头11另一侧与混合腔10连接，流体进出口管道9 一端与 混合腔10连接，流体进出口管道9另一端通过紧固件5与绝缘密封接线面板4连接，在紧 固件5与流体进出口管道9连接处设有0形圈7，混合腔10上端安装PtlOO测温探头15， 混合腔10下端安装压力传感器16，50 μ m热电偶14和加热导线17连接在微米级金属管13 的外壁，所有导线通过接线端子8引出不锈钢外腔体1。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。所述的微米级金属管13采用 功率可调型加热单元加热。所述的真空绝热腔采用抽真空方法消除微米级金属管13与环 境传热。测量微管对流传热系数的教学实验装置，其数据处理方法如下 根据进出口 PtlOO测温探头读数，可以计算输入功率，公式为
Q 二 鄉？ (^ar — ^Im)( 1)
其中β为输入功率，m为质量流量，为流体比热容，和？；分别为流体进出口温度。 因此，可以得到微管道单位面积的功率为
_ Q
(2)
2J^ttZ
其中釣为微管道单位面积的输入功本 力微管道内径，L为微管道加热段长度。
局部外壁面温度由50 μ m热电偶测得，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
卜 KS.
R
(3)
其中，？为局部内壁面温度，为局部外壁面温度，Se为微管道单位体积输入功率，
K为微管道材料导热系数，4为微管道外径。局部流体温度可以通过能量守恒方程得到
⑷
其中I为局部流体温度，4为轴向长度。由公式(2)、(3)、(4)可以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局部对流传热系数
k = ^^ (5) T -T wn Im
目前已针对去离子水、环己烷、正己烷、环己酮、乙酸乙酯、乙醇水溶液、无水乙醇、环戊 烷等九个体系在内径为0. 342,0. 562,1. 04mm的水平不锈钢管道上进行了实验，利用本发 明所提到的装置和方法，已对雷诺数55-333的情况进行了测试，取得了良好的效果。本发明的工作过程如下
(1)实验开始前，使用真空泵对真空绝热腔抽真空，当腔体压力检测器示数小于IOOPa 后，开始通入流体。被测流体流速由注射泵控制，通过调节恒温水浴槽控制流体进口温度恒 定。(2)当进出口流体温度稳定后，打开功率可调型加热单元，通过计算机内自编的微 管对流传热实验教学软件设定输入电流、输入时间，璧面温度、流体进出口温度、流体进出 口压力、腔体内压力可以在软件中实时读取。(3)通过观察出口 PtlOO测温探头数据确定实验终点，当温度变化小于 0. rC/15min后，可认为系统达到稳定。读取稳定后10分钟内流体进出口温度及璧面温度， 根据本专利上述的数据处理方法即可得到被测流体的对流传热系数。
权利要求
1.一种测量微管对流传热系数的教学实验装置，其特征在于包括相连的真空绝热腔、 功率可调型加热单元、数据采集卡和计算机，其中真空绝热腔包括不锈钢外腔体(1)、腔体 压力检测口(2)、抽气口(3)、绝缘密封接线面板(4)、螺栓(5)、紧固件(6)、O型圈(7)、接线 端子(8)、进出口管道(9)、混合腔(10)、金属两通接头(11)、氟橡胶垫圈(12)、微米级金属 管(13)、50μπι热电偶(14)、Ptl00测温探头(15)、压力传感器(16)、加热导线(17);不锈钢 外腔体(1)设有腔体压力检测口(2)和抽气口(3)，绝缘密封接线面板(4)通过螺栓(5)与 不锈钢外腔体(1)连接，接线端子(8 )固定在绝缘密封接线面板(4 )上，金属两通接头(11) 一侧与微米级金属管(13)连接，利用金属两通接头(11)内安装氟橡胶垫圈(12)固定，金属 两通接头(11)另一侧与混合腔(10)连接，流体进出口管道(9) 一端与混合腔(10)连接，流 体进出口管道(9)另一端通过紧固件(5)与绝缘密封接线面板(4)连接，在紧固件(5)与流 体进出口管道(9)连接处设有O形圈(7)，混合腔(10)上端安装PtlOO测温探头(15)，混合 腔(10)下端安装压力传感器(16)，50 μ m热电偶(14)和加热导线(17)连接在微米级金属 管(13)的外壁，所有导线通过接线端子(8)引出不锈钢外腔体(1)。
2.根据权利要求1所述的一种测量微管对流传热系数的教学实验装置，其特征在于所 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。
3.根据权利要求1所述的一种测量微管对流传热系数的教学实验装置，其特征在于所 述的微米级金属管(13)采用功率可调型加热单元加热。
全文摘要
本发明公开了一种测量微管对流传热系数的教学实验装置。它包括相连的真空绝热腔、功率可调型加热单元、数据采集卡和计算机。绝缘密封接线面板通过螺栓与不锈钢外腔体连接，接线端子固定在绝缘密封接线面板上，金属两通接头一侧与微米级金属管连接，利用金属两通接头内安装氟橡胶垫圈固定，金属两通接头另一侧与混合腔连接，流体进出口管道一端与混合腔连接，流体进出口管道另一端通过紧固件与绝缘密封接线面板连接，混合腔上端安装Pt100测温探头，混合腔下端安装压力传感器，50μm热电偶连接在微米级金属管的外壁。本发明设备针对教学实验用途，具有成本低，操作简单，稳定性高等优点，所有操作及数据采集处理通过计算机完成，可以实现远程教学。
文档编号G09B23/16GK102110387SQ20111002836
公开日2011年6月29日 申请日期2011年1月26日 优先权日2011年1月26日
发明者何潮洪, 吴可君, 周俊超, 王磊, 车圆圆, 黄志尧 申请人:浙江大学
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