《矿井热害防治与利用》课程实验指导书

《矿井热害防治与利用》课堂实验指导书课程中文名称：矿井热害防治与利用课程英文名称：PreventionandUtilizationofMineHeatDamage课程编号：021060200适用专业：新能源科学与工程学时数：总学时32，其中理论28、实验4学分数：2课程类别：专业课程应开课学期：第五学期实验一：矿井气候条件测定实验类型：操作型实验学时：2实验要求：必做一、实验目的学习空盒气压计、干湿球温度计等测定气候条件常用仪表的原理、构造，并掌握其使用方法；掌握空气密度和卡他度的测算方法。二、实验内容空气温度、湿度测定；空气密度测定；卡他度测定。三、仪器设备1.空盒气压计空盒气压计（图1）是由一个波纹形金属真空盒和一套杠杆传动机构组成，（真空合内实际还有50~60mmHg的压力）。大气压变化时，真空盒面变形，变形值经杠杆传动机构放大，传动到盒面使指针发生偏转，使用前需要用固定水银气压计来校正，校正时用小螺丝刀微微调节盒侧面调节孔内的螺钉，使其指针指示值与水银气压计一致。（a）外形（b）结构示意图图1空盒气压计1-金属盒；2-弹簧；3-传递机构；4-指针；5-刻度盘；6-链条；7-弹簧丝；8-固定支点2.干湿球温度计矿井空气的湿度一般用相对湿度来表示，测定相对湿度常用手摇湿度计和风扇式湿度计两种，它们的测定原理一样，湿度计是由两支温度计组成。一支为干温度计，一支为湿温度计（在温度计的水银球面上包裹湿纱布）。用手摇湿度计测定时，手握摇把以每分钟约150转的速度旋转1~2分钟后，立即读取两支温度计的读数（先读湿度计度数）。湿球因其纱布上的水份蒸发吸热，它的示数值偏低，温度越低，蒸发吸热越多，干湿温度计数值差别越大。根据干温度计（或湿温度计）读值（t℃）及干湿温度计差值（△t℃）查表即可计算出空气的相对湿度（Φ）。3.卡他温度计气候条件是空气的温度、湿度和风速三者的综合结果，气候条件的优劣不能单从某个方面去衡量，必须测出其综合结果，测定气候条件一般采用卡他温度计。卡他计是一种模似人体表面在空气温度、湿度及风速综合作用下散热情况的仪器。它的下端为长圆形贮液球，长约40mm，直径为16mm，表面积为22.6cm2，内贮有色酒精，中部刻有38℃和35℃两个刻度，其平均值为36.5℃，恰似人体温度。其上端也有长园形的空间，以便在测定时容纳上升的酒精，卡他计全长为200mm。卡他计分为干卡他计和湿卡他计两种，前者只测出对流和辐射下的散热效果，后者是在卡他计的贮液球上包裹上湿纱布，能测出对流，辐射和蒸发的综合散热效果。四、实验原理、方法、手段和步骤1.空盒气压计测定时，在测定地点将其水平放置，并用手轻轻敲击合面数次，消除指针的蠕动现象，待20分钟左右可读数，读数值还需根据仪器所附检定证进行刻度、温度和补充校正。空盒气压计是一种携带式气压计，一般用于井上下非固定地点测大气压。2.干湿球温度计用风扇式湿度计测定时，用专用钥匙将小风扇的发条上紧，风扇转动，使空气以1.7~3.0m/s的流速经过干湿温度计的水银球面周围，待1~2分钟，两支温度计示数稳定后即可读值计算。3.卡他计测定时，将干卡他计先放在60~80℃的热水里使酒精上升至仪器的上部空间1/3处左右，取出抹干，将仪器置于测定地点用秒表记录酒精面从38℃下降到35℃所需要的时间t，可用下式计算卡他度：式中Kd—干卡他度，W/m2；F—卡他常数，卡他计上标有；t—酒精面从38℃下降到35℃所需要的时间，s。如果测定对流、辐射和蒸发三者的综合散热效果，可采用湿卡他计测量，用纱布将干卡他计的贮液球包起来，按上述方法测试和计算。五、实验结果处理略。六、实验注意事项轻拿轻放，避免打碎玻璃制仪器；空盒气压计指针转动比较迟缓，读数之前，用手指轻击几下仪器，待指针稳定后再读取读数；用湿度计测定空气的相对湿度时，读数时应首先读湿温度计的示值，然后再读干温度计的示值。使用手摇湿度时应注意摇把螺丝的松动，防止摇动脱落损坏。卡他计的酒精切勿充满上部的空间（只充至上部空间1/3），防止内部压力过大将贮液球爆裂。七、预习与思考题矿井气候条件对人体舒适度的影响；为什么说卡他计是检查温度、湿度及风速综合作用的一种仪器？实验二：综合传热实验实验类型：演示型实验学时：2实验要求：必做一、实验目的掌握传热系数、传热膜系数的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解；对比不同类型换热器的优缺点，了解工程上强化传热的措施。二、实验内容测定光滑直圆管套管式换热器管内外传热膜系数和总传热系数；对比同一光滑直管，普通型和加强型管内外传热膜系数和总传热系数；对比等传热面积下间壁式套管、加强型缠绕列管和板式换热器的总传热系数，分析各自优缺点。三、仪器设备综合传热实验装置，如图1所示。图1综合传热实验装置四、实验原理、方法、手段和步骤（一）实验原理1.空气传热膜系数因为空气传热膜系数1远小于蒸汽传热膜系数2，所以传热管内的对流传热系数1约等于冷热流体间的总传热系数K。则有：（1）传热速率方程式中A—传热面积（内管内表面积），m2；Δtm—管内外流体的平均温差，℃。其中，Δt1=T-t1，Δt2=T-t2T—蒸汽侧的温度，可近似用传热管的外壁面平均温度TW表示，TW=1.2705+23.518×EE—热电偶测得的热电势，mV。（2）传热量Q可由热平衡方程求得：式中w—空气质量流量，kg/h；V—空气体积流量，m3/h；t1,t2—空气进出口温度，℃。（3）实验条件下的空气流量V按下式计算：式中Vt0—20℃下的体积流量；—空气进出口平均温度，℃。2.强化传热机理强化传热又被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。强化传热的方法有多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线图2图2强化管内部螺旋线内部结构螺旋线圈的结构图如图2所示，螺旋线圈由直径3mm以下的铜丝和钢丝按一定节距绕成。将金属螺旋线圈插入并固定在管内，即可构成一种强化传热管。在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，一面还周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以使传热强化。由于绕制线圈的金属丝直径很细，流体旋流强度也较弱，所以阻力较小，有利于节省能源。螺旋线圈是以线圈节距H与管内径d的比值以及管壁粗糙度（2d/h）为主要技术参数，且长径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。科学家通过实验研究总结了形式为Nu=BRem的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，它的形式是：Nu/Nu0，其中Nu是强化管的努塞尔准数，Nu0是普通管的努塞尔准数，显然，强化比Nu/Nu0＞1，而且它的值越大，强化效果越好。（二）实验方法和操作步骤通过蒸汽发生器加水口，将蒸汽发生器加水至3/4高度。打开加热器，水沸腾汽化为蒸汽后，通过阀门切换，分别进入套管换热器壳程、缠绕列管换热器壳程和板式换热器，与换热器管程内冷风进行强制对流交换。在每个换热器底部，设有蒸汽冷凝出口，尾气去往尾气冷凝器，冷凝后液体进入蒸汽发生器，实现再利用。通过触摸屏设定冷风流量，冷风由涡轮气泵将空气增压后，经文丘里流量计计量；通过阀门切换，进入换热器，与热流体进行间壁式换热。五、实验结果处理略。六、实验注意事项实验过程中，请勿