《換熱器原理與設計》課堂實驗/實踐指導書課程中文名稱：換熱器原理與設計課程英文名稱：HeatExchangerPrincipalandDeign課程編號：021060230適用專業：新能源科學與工程學時數：總學時32，其中：理論28，實驗4學分數：2課程類別：專業課程應開課學期：第五學期實驗/實踐一：換熱器綜合實驗實驗/實踐類型：專業實驗/實踐學時：2實驗/實踐要求：必做一、實驗/實踐目的1．熟悉換熱器性能測試方法，了解影響換熱器性能的影響因素；2．掌握間壁式換熱器傳熱系數測定方法；3．了解套管式換熱器、板式換熱器等結構特點機器性能差別；4．加深對于順流和逆流兩種換熱方式換熱能力的差別；5．熟悉流體流速、流量、壓力等參數的測量技術。二、實驗/實踐內容1.通過測量冷熱流體的流量、進出口溫度計算換熱器的換熱量，進而計算換熱器的傳熱系數；2.另外結合換熱器的結構數據，計算冷熱流體與管壁的表面傳熱對流換熱系數，進而比較三個環節的熱阻相對大小。三、儀器設備本實驗主要對應用較廣的三種換熱器進行實驗：套管式換熱器、板式換熱器和列管式換熱器。實驗裝置如圖1所示。采用冷水可用閥門換向進行順逆流實驗。換熱形式為熱水—冷水換熱式。實驗中所需的儀器設備如下：1、換熱器幾何尺寸（1）套管式換熱器 換熱面積0.22m2外管：外徑25mm，壁厚2mm銅管,中間管外徑12mm，壁厚1mm銅管，長80㎝，8組并列（2）板式換熱器 換熱面積0.40m2（3）列管式換熱器 換熱面積0.51m2外殼外徑110mm，壁厚2mm不銹鋼，中間管子外徑16mm，壁厚1mm不銹鋼管,

長84㎝,2條(4根管兩次折流，即3個管程)2、電加熱總功率9.0kW3、冷、熱水泵允許工作溫度：<80℃額定流量：3m3/h揚程：12m電機電壓：220V電機功率：370W4、轉子流量計型號型號：LZB-15流量：40~400l/h允許溫度范圍：0~120℃圖1實驗裝置簡圖1.熱水流量調節閥2.熱水板式、套管、列管啟閉閥門組3.冷水流量計4.換熱器進口壓力表5.數顯溫度計6.琴鍵轉換開關7.電壓表8.電流表9.冷水出口壓力表10.開關組11.冷水板式、套管、列管啟閉閥門組12.順逆流轉換閥門組13.冷水流量調節閥四、實驗/實踐原理、方法、手段和步驟一、實驗原理1．體壁面由熱流體傳遞給冷流體。實驗原理如圖2所示。圖2換熱器綜合實驗臺原理圖1.冷水泵2.冷水箱3.冷水浮子流量計4.冷水順逆流換向閥門組5.列管式換熱器6.套管式換熱器7.電加熱水箱8.熱水浮子流量計9.回水箱10.熱水泵11.板式換熱器通過測量冷熱流體的流量，進出口溫度，可以由式（1）~（3）計算換熱器的換熱量，由式（5）計算換熱器的溫差，因此可以計算出換熱器的傳熱系數（6），換熱器的傳熱系數綜合反映了傳熱過程的難易程度，表示單位傳熱溫差傳熱面積下傳熱過程所傳遞的熱量。另外結合換熱器的結構數據，由式（7）~（8）計算冷熱流體與管壁的表面傳熱對流換熱系數，進而比較三個環節的熱阻相對大小。熱流體放熱量 (1)冷流體吸熱量 (2)平均換熱量 (3)熱平衡誤差 (4)換熱器溫差 (5)傳熱系數 (6)內部流動對流換熱 (7)外部流動對流換熱 (8)其中C、n、m值可以查課本。二、實驗預習要求：1、溫度計壓力表的讀數與精度2、系統充水量與水泵運行的注意事項3、實驗的數據預期與讀取4、各種形式換熱器的主要特征及優缺點5、傳熱過程各個熱阻相對大小及影響因素三、實驗條件：（1）熟悉實驗裝置及使用儀表的工作原理和性能；（2）打開所要實驗的換熱器閥門，關閉其它閥門；（3）按順流（或逆流）方式調整冷水換向閥門的開或關；（4）向冷—熱水箱充水，禁止水泵無水運行(熱水泵啟動，加熱才能供電)。四、實驗方法與步驟：（1）接通電源，啟動熱水泵（為了提高熱水溫升速度，可先不啟動冷水泵），并調整好合適的流量；（2）調整溫控儀，使其能使加熱水溫控制在80℃以下的某一指定溫度；（3）將加熱器開關分別打開（熱水泵開關與加熱開關已進行連鎖，熱水泵啟動，加熱才能供電）；（4）利用數顯溫度計和溫度測點選擇琴鍵開關按鈕，觀測和檢查換熱器冷—熱流體的進出口溫度。待冷—熱流體的溫度基本穩定后，既可測出相應測溫點的溫度數值，同時可以讀出轉子流量計冷—熱流體的流量讀數，把這些測試結果記錄到實驗數據記錄表中；（5）如需要改變流動方向（順，逆流）的實驗，或需要繪制換熱器傳熱性能曲線而要求改變工況（如需要改變冷熱水流速或流量）進行試驗，或需要重復進行試驗時，都要重新安排實驗，并記錄下實驗測試數據；（6）實驗結束后，首先關閉電加熱器開關，5分鐘后切斷全部電源。五、實驗/實踐結果處理1.數據計算熱流體放熱量：冷流體吸熱量：平均換熱量：熱平衡誤差：對數平均溫差：傳熱系數：式中：，熱、冷流體的質量流量；，熱、冷流體的定壓比熱；，熱流體的進、出口溫度；，冷流體的進、出口溫度；換熱面積；，進出口溫度端差的最大值和最小值。注：冷熱流體的質量流量，是根據修正后的流量計體積流量折算成的質量流量。2.繪制傳熱性能曲線，并進行比較（1）以傳熱系數為縱坐標，冷水（冷水）流速（或質量）為橫坐標繪制傳熱性能曲線；（2）對順流和逆流換熱性能進行比較；（3）對三種不同型式的換熱器性能進行比較。六、實驗/實踐注意事項1．實驗一般不允許學生請假，確因特殊情況需要請假，須事先經指導教師和主管教學院長批準；2．實驗期間，不得遲到、早退，有事必須向指導教師請假，不得擅自離隊。必須服從指揮、注意聽講、認真參觀、多加思考、記好筆記；3．嚴格遵守組織紀律，禁止進入受限空間，遵守紀律，注意安全，未經實驗室老師的許可，不得亂動任何設備。七、預習與思考題1、冷熱水箱溫度不恒定對實驗結果有何影響？2、怎樣按測得的數據，計算流體與固體壁面間的對流換熱系數？3、實驗中為什么可以不考慮輻射換熱？4、變工況后馬上記錄測點數據對實驗有影響嗎，為什么？5、怎樣由傳熱性能曲線，比較三種換熱器的性能？6、根據實驗結果說明為什么工程上可以忽略換熱器中間壁的導熱熱阻？附：實驗數據記錄表 換熱器名稱環境溫度℃順逆流熱流體冷流體進口溫度℃出口溫度℃流量計數l/h進口溫度℃出口溫度℃流量計數l/h順流逆流實驗/實踐二：套管換熱器傳熱實驗實驗/實踐類型：專業實驗/實踐學時：2實驗/實踐要求：必做一、實驗/實踐目的通過本實驗的學習，使學生了解套管換熱器的結構和操作方法，比較簡單內管與強化內管的差異。二、實驗/實踐內容1、測定空氣與水蒸汽經套管換熱器間壁傳熱時的總傳熱系數。2、測定空氣在圓形光滑管中作湍流流動時的對流傳熱準數關聯式。3、測定空氣在插入螺旋線圈的強化管中作湍流流動時的對流傳熱準數關聯式。4、通過對本換熱器的實驗研究，掌握對流傳熱系數的測定方法。三、儀器設備實驗裝置見下圖1-液位計；2-儲水罐；3-排水閥；4-蒸汽發生器；5-強化套管蒸汽進口閥；6-光滑套管蒸汽進口閥；7-光滑套管換熱器；8-內插有螺旋線圈的強化套管換熱器；9-光滑套管蒸汽出口；10-強化套管蒸汽出口；11-光滑套管空氣進口閥；12-強化套管空氣進口閥；13-孔板流量計；14-空氣旁路調節閥；15-旋渦氣泵；16-蒸汽冷凝器以飽和蒸汽為加熱介質，加熱空氣。飽和蒸汽走套管殼程，空氣走管程。空氣由旋渦氣泵提供，由孔板流量計計量其流量。套管規格：內管；外管；換熱長度為1.20m。四、實驗/實踐原理、方法、手段和步驟1、實驗前的準備,檢查工作（1）向水箱中加水至液位計上端。（2）檢查空氣流量旁路調節閥是否全開。（3）檢查蒸氣管支路各控制閥和空氣支路控制閥是否已打開，保證蒸汽和空氣管線的暢通。（4）接通電源總閘，設定加熱電壓，啟動電加熱器開關，開始加熱。2、實驗開始（1）打開加熱開關一段時間后,蒸汽發生器內的水經過加熱后產生水蒸汽，并經過空氣冷卻器冷凝后回到儲水槽中。（2）換熱器殼內有水蒸氣后，打開旁路調節閥，啟動風機，調節閥一般開到最大。（3）調節空氣流量旁路調節閥的開度,使壓差計的讀數為所需的空氣流量值(當旁路閥全開時,通過傳熱管的空氣流量為所需的最小值,全關時為最大值)。（4）穩定3～5分鐘左右后，分別測量空氣的流量，空氣進、出口溫度和管壁溫度。(注意：第1個數據點必須穩定足夠的時間；溫度巡檢儀測量的溫度1-光滑管空氣入口溫度；2-光滑管空氣出口溫度；3-強化管空氣入口溫度；4-強化管空氣出口溫度；上-光滑管壁面溫度；下-強化管壁面溫度)（5）重復(3)與(4)共做7～10個空氣流量值。（6）最小、最大流量值一定要做。五、實驗/實踐結果處理兩流體間壁傳熱時的傳熱速率方程為（1）式中，傳熱速率可由管內、外任一側流體熱焓值的變化來計算，空氣流量由孔板與壓力傳感器及數字顯示儀表組成的空氣流量計來測定。流量大小按下式計算：（2）其中：—孔板流量計孔流系數，0.65；—孔的面積，；（可由孔徑計算，孔徑）—孔板兩端壓差，；—空氣入口溫度（即流量計處溫度）下的密度，。實驗條件下的空氣流量（）需按下式計算：（3）其中：—換熱管內平均溫度，℃；—傳熱內管空氣進口（即流量計處）溫度，℃。測量空氣進出套管換熱器的溫度(℃)均由鉑電阻溫度計測量，可由數字顯示儀表直接讀出。管外壁面平均溫度(℃)由數字溫度計測出，熱電偶為銅─康銅。換熱器傳熱面積由實驗裝置確定，可由（1）式計算總傳熱系數。流體無相變強制湍流經圓形直管與管壁穩定對流傳熱時，對流傳熱準數關聯式的函數關系為：（4）對于空氣，在實驗范圍內，準數基本上為一常數；當管長與管徑的比值大于50時，其值對準數的影響很小，故準數僅為準數的函數，因此上述函數關系一般可以處理成：（5）式中，和為待定常數。由下式可以計算空氣與管壁的對流傳熱系數：（6）式中，—空氣進出口溫度的平均值，℃；—管外壁面平均溫度，℃。然后計算，（7）調節不同的空氣流量，可以獲得多組—數據。將數據繪制在雙對數坐標中，則函數關系式變為：（8）確定該直線的斜率和截距，即可求出待定常數和的值。確定空氣在強化管內和普通圓形光滑管內換熱的對流傳熱準數關聯式的原理和方法相同，不過，在類同條件下待定常數數值不同。六、實驗/實踐注意事項1．實驗一般不允許學生請假，確因特殊情況需要請假，須事先經指導教師和主管教學院長批準；2．實驗期間，不得遲到、早退，有事必須向指導教師請假，不得擅自離隊。必須服從指揮、注意聽講、認真參觀、多加思考、記好