《熱質(zhì)交換原理與設(shè)備》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、教學(xué)實(shí)驗(yàn) 2015-10熱質(zhì)交換原理與設(shè)備實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書湘潭大學(xué)土木工程工程與力學(xué)學(xué)院建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)2015年10月內(nèi)部使用目 錄實(shí)驗(yàn)一 散熱器熱工性能實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)二 汽液式翅片管換熱器實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)一 散熱器熱工性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、通過實(shí)驗(yàn)了解散熱器熱工性能測定方法及低溫水散熱器熱工實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)。2、測定散熱器的散熱量Q，計(jì)算分析散熱氣的散熱量與熱媒流量G和溫差T的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)裝置見圖一： 圖一散熱器熱工實(shí)驗(yàn)裝置示意圖1. 散熱器阻力、溫度取樣點(diǎn) 2.測壓差閥門組 3.散熱器水流量調(diào)節(jié)閥 4. 轉(zhuǎn)子流量計(jì)5. 溫度壓差巡檢儀 6. 溫控表7. 電壓表8. 電流表 9. 水位計(jì)10. 水

2、泵開關(guān)及加熱開關(guān)組1、2. 上水調(diào)節(jié)閥 13. 散熱器 14.內(nèi)置加熱水箱、循環(huán)水泵的模擬墻體 三、實(shí)驗(yàn)原理：本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理是在穩(wěn)定的條件下測定出散熱器的散熱量：Q=GCP（tg-th） kJ/h式中：G熱媒流量， kg/h；CP水的比熱，kJ/Kg； tg、th供回水溫度， 。 每組散熱面積為：2m2上式計(jì)算所得散熱量除以3.6即可換算成W。由于實(shí)驗(yàn)條件所限，在實(shí)驗(yàn)中盡量減少室內(nèi)溫度波動(dòng)。 低位水箱內(nèi)的水由循環(huán)水泵打入高位水箱，被電加熱器加熱，并由溫控器控制其溫度在某一固定溫度波動(dòng)范圍，由管道流入散熱器中，經(jīng)其傳熱將一部分熱量散入房間，降低溫度后的回水通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)流入低位水箱。流量計(jì)計(jì)量

3、出流經(jīng)每個(gè)散熱器在溫度為th時(shí)的體積流量。循環(huán)泵打入高位水箱的水量大于散熱器回路所需的流量時(shí)，多余的水量經(jīng)溢流管流回低位水箱。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、測量散熱器面積。2、系統(tǒng)充水，注意充水的同時(shí)要排除系統(tǒng)內(nèi)的空氣。3、打開總開關(guān)，啟動(dòng)循環(huán)水泵,使水正常循環(huán)。4、將溫控器調(diào)到所需溫度（熱媒溫度）。打開電加熱器開關(guān)，加熱系統(tǒng)循環(huán)水。5、根據(jù)散熱量的大小調(diào)節(jié)每個(gè)流量計(jì)入口處的閥門，使之流量、溫差達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，如不穩(wěn)定則須找出原因，系統(tǒng)內(nèi)有氣應(yīng)及時(shí)排除，否則實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。6、系統(tǒng)穩(wěn)定后進(jìn)行記錄并開始測定：當(dāng)確認(rèn)散熱器供、回水溫度和流量基本穩(wěn)定后，即可進(jìn)行測定。散熱器供回水溫度tg與th及室內(nèi)溫度t

4、，均采用Pt100.1傳感器，配數(shù)顯巡檢測試儀直接測量，流量用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量。溫度和流量均為每10分鐘測讀一次。Gt=L/1000=L10-3 m3/h式中：L轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀值； l/h；Gt溫度為th時(shí)水的體積流量；m3/hG=Gtt （tg/h）式中：G熱媒流量，（kg/h）；t溫度為th時(shí)的水的密度，（kg/ m3）。7、改變工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：a、改變供回水溫度，保持水量不變。b、改變流量，保持散熱器平均溫度不變。即保持 恒定8、實(shí)驗(yàn)測定完畢：a、關(guān)閉電加熱器；b、停止運(yùn)行循環(huán)水泵；c、檢查水、電等有無異?，F(xiàn)象，整理測試儀器。五、阻力測試：就是通過測試裝置測出通過散熱器不同水量時(shí)所損失的壓力及

5、在工程設(shè)計(jì)中所需要的散熱器阻力系數(shù)，以便向采暖系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)提供參數(shù)。測試裝置U型壓差計(jì)見圖二。 圖二倒U型壓差計(jì)測試原理：水流通過散熱器時(shí)，不僅流速和方向發(fā)生變化，并且由于散熱器內(nèi)腔的形狀比較復(fù)雜，流通斷面和形狀的變化使水流產(chǎn)生渦流、撞擊、轉(zhuǎn)向及摩擦，從而消耗了能量，形成了水流阻力。水流為克服這些阻力就要損失能量，能量損失的大小與水流速度的平方成正比，對(duì)于不同形式的散熱器，同一水量通過時(shí)能量損失也不同，因此，需通過測試得到各種散熱器的阻力系數(shù)。 利用流體力學(xué)中的阻力計(jì)算公式： 則推出阻力系數(shù)：式中： 散熱器的阻力系數(shù)； 水在散熱器供水管中的流速；m/s；其連接管徑DN15 d=15.6 mm；

6、 水流在散熱器進(jìn)、出口所產(chǎn)生的能量損失，。測散熱器進(jìn)出口二個(gè)測壓點(diǎn)的壓差等于散熱器局部水頭損失：=式中： 連接兩點(diǎn)的U形壓力計(jì)的讀數(shù)，m；U型壓差計(jì)操作要點(diǎn)：1、關(guān)閉U型壓差計(jì)上的所有閥門；2、安裝測壓管；3、啟動(dòng)系統(tǒng)充水運(yùn)行后，打開連通閥2；4、打開連高、底壓測壓管上的閥門1、7；5、打開排氣閥4或5，使水位在測壓管中間位置左右，然后關(guān)閉排氣閥；6、關(guān)閉連通閥2，既可以正常測出壓差。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告：(1) 流量恒定，改變供回水溫度N0供水溫度tg()回水溫度th()室溫t()流量G（kg/h）散熱量Q（W）123(2)供回水溫度恒定，流量改變N0供水溫度tg()回水溫度th()室溫t()流量G

7、（L/h）壓力差散熱量Q（W）阻力系數(shù)123七、注意事項(xiàng)：1、測溫點(diǎn)應(yīng)加入少量機(jī)油，以保持溫度穩(wěn)定；2、上水箱內(nèi)的電熱管應(yīng)淹沒在水面下時(shí)，才能打開，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)有自控裝置；但亦應(yīng)經(jīng)常檢查。3、實(shí)驗(yàn)臺(tái)應(yīng)接地。附：巡檢儀設(shè)置控制參數(shù)（一級(jí)參數(shù)）設(shè)定 按 Set鍵大于5秒符號(hào)名稱設(shè)定數(shù)值A(chǔ)T1通道顯示時(shí)間AT1=3AT2AT2=0AT3AT3=0AAAA=1其它不設(shè)二級(jí)參數(shù)設(shè)定 CLK=132后同時(shí)按Set鍵和鍵30秒進(jìn)入，按Set鍵依次設(shè)置符號(hào)名稱設(shè)定數(shù)值測試范圍傳感器類型傳感器用途DE儀表設(shè)備號(hào)4（可不設(shè)）BT通訊波特率5（9600）（可不設(shè)）-n1第1通道開 0Pt100.1左散熱器進(jìn)水溫度-n2

8、第2通道開 0Pt100.1左散熱器出水溫度-n3第3通道開 0Pt100.1右散熱器進(jìn)水溫度-n4第4通道開0Pt100.1右散熱器出水溫度-n5第5通道開00-40 KPa4-20mA左散熱器阻力(壓差)-n6第6通道開00-40 KPa4-20mA右散熱器阻力(壓差)-n7第7通道開0Pt100.1環(huán)境溫度-n8第8通道開1-n9-n16均設(shè)置為關(guān)1第1、2、3、4、7通道設(shè)置:1SL0輸入分度號(hào)091SL1小數(shù)點(diǎn)11SL2無01SL3無01SL4無01-Pb零點(diǎn)遷移根據(jù)情況1KKK量程放大倍數(shù)根據(jù)情況1OUL變送輸出量程下限默認(rèn)1OUH變送輸出量程上限默認(rèn)1SLL測量量程下限默認(rèn)1SL

9、H測量量程上限默認(rèn)其它不設(shè)第5、6通道設(shè)置:ASL0輸入分度號(hào)124-20mA顯示數(shù)值為mmH2OASL1小數(shù)點(diǎn)0ASL2無0ASL3無0ASL4無0A-Pb零點(diǎn)遷移根據(jù)情況AKKK量程放大倍數(shù)根據(jù)情況AOUL變送輸出量程下限0AOUH變送輸出量程上限4000ASLL測量量程下限0ASLH測量量程上限4000其它已關(guān)閉，不設(shè)。巡檢儀通道設(shè)置：通道號(hào)12345678內(nèi)容 左散熱器出口溫度左散熱器進(jìn)口溫度右散熱器出口溫度右散熱器進(jìn)口溫度左散熱氣阻力壓差 右散熱氣阻力壓差室溫實(shí)驗(yàn)二 汽液式翅片管換熱器實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過本實(shí)驗(yàn)熟悉掌握空氣與液體（水）換熱量及換熱系數(shù)的測定方法；2、通過本實(shí)驗(yàn)熟悉

10、掌握換熱器阻力的測試方法；3、了解溫度、壓力、流量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成。二、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)處理空氣時(shí)，處理過程為等濕加熱且只是顯熱的交換過程。被加熱的空氣所得到的熱量為： （1）空氣得熱量，Kw；空氣的質(zhì)量流量，Kg/s；空氣的定壓比熱，Kj/Kg；空氣加熱器前空氣的溫度，；空氣加熱器后空氣的溫度，。熱媒水供給空氣加熱器的熱量為： （2）水放熱量，Kw；水的質(zhì)量流量，Kg/s；水的定壓比熱，Kj/Kg；水通過空氣加熱器后的溫度，；水通過空氣加熱器前的溫度，?？諝饧訜崞鞴┙o空氣的熱量為： （3）空氣加熱器供給空氣的熱量，Kw；空氣加熱器傳熱系數(shù)，Kw/m2；空氣加熱器的散熱面積，m2。忽略設(shè)備的散熱損

11、失的情況下，理論上三者應(yīng)相等，即：因此我們能夠測量出空氣側(cè)獲得的熱量或水供給加熱器的熱量，即可得知加熱器的換熱能力即換熱量，測出水進(jìn)入換熱器的進(jìn)出口溫度、空氣流過換熱器的進(jìn)出口溫度、換熱器的面積，即可求出換熱器的傳熱系數(shù)。換熱器的流體力學(xué)特性空氣流動(dòng)阻力：空氣側(cè)壓力損失一般整理成（4）的形式： （4）空氣側(cè)壓力損失，Pa；空氣的質(zhì)量流速，kg/(m2s)； 空氣流速，m/s ； 空氣密度，kg/m3； 常數(shù)； 指數(shù)常數(shù)。三、 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置由空氣動(dòng)力及加熱系統(tǒng)、空氣參數(shù)測量系統(tǒng)、熱水加熱及參數(shù)測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)等組成，如圖1所示。圖1、實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖1、空氣動(dòng)力及加熱系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、風(fēng)

12、機(jī)調(diào)速器、方形風(fēng)洞等組成。風(fēng)洞上設(shè)置測量換熱器空氣側(cè)流動(dòng)阻力的取壓嘴及差壓計(jì)。設(shè)置測量空氣流量的孔板及差壓計(jì)?？諝鉁囟扔肞t100.1鉑電阻傳感器測量。空氣通過換熱器的流通阻力，在換熱器前后的風(fēng)管上設(shè)靜壓測嘴，配差壓傳感器測量。2、熱水加熱系統(tǒng)（1）換熱器為空氣加熱器，空氣加熱器幾何尺寸如下表：基管數(shù)量：42根，管徑=9.5mm；基管面積 ：423.140.00950.18=0.2255148 m2 鋁片尺寸：0.175 mm 0.13 mm，數(shù)量70片； 單片鋁翅片面積：0.1750.13-420.7850.00952 = 0.02275-0.002976=0.019774 m2鋁翅片面積：

13、0.01977470=1.38418 m2鋁翅片面積+基管面積= 1.6097 m2；散熱面積：鋁翅片面積2 + 基管面積=1.384182 + 0.2255148=2.6938748迎風(fēng)面積： 0.180.0175=0.0315 m2； 最窄通風(fēng)面積：0.0315-0.00950.187=0.0315-0.011197=0.01953 m2鋁串片尺寸（mm）片 距b（mm）基管直徑dw/dn（mm）基管面積Fj（m2）迎風(fēng)面積Fy（m2）散熱面積F（m2）最窄通風(fēng)面積f（m2）1801752.39.5/80.22550.03152.69390.0195（2）不銹鋼水箱電加熱器總功率為6KW，

14、PID調(diào)節(jié)控制；（3）熱水流量用浮子流量計(jì)測量；3、測量系統(tǒng)溫度、差壓、流量測量信號(hào)接入萬能信號(hào)輸入8點(diǎn)巡檢儀上顯示。四、 實(shí)驗(yàn)方法及操作步驟操作面板如圖2圖2操作面板如圖1、實(shí)驗(yàn)方法1）擬定試驗(yàn)熱水溫度（可取=6080）2）在固定熱水流量為某一值，改變空氣流速的工況下，進(jìn)行一組試驗(yàn)（3個(gè)以上工況）。3）改變熱水流量為某另值，改變空氣流速的工況下，進(jìn)行一組試驗(yàn)（3個(gè)以上工況）。4）每一工況的試驗(yàn)，均需測定以下參數(shù)：空氣進(jìn)口溫度；空氣出口溫度；空氣孔板壓差；空氣阻力壓差。熱水進(jìn)口溫度；熱水出口溫度；熱水流量等。2、操作步驟1）連接電源（380V，四線，50HZ，10KW）；2）向電熱水箱內(nèi)注水至

15、超過水加熱器最高點(diǎn)，以免加熱器內(nèi)有空氣存在；3）用膠管把換熱器進(jìn)出口處的阻力測嘴與差壓傳感器連接好，用膠管把孔板流量計(jì)前后處的阻力測嘴與差壓傳感器連接好；4）接通電源，啟動(dòng)水泵，檢查水管路，不得漏水，否則應(yīng)處理，關(guān)閉水泵；5）設(shè)置溫控表至所控溫度值，啟動(dòng)電加熱器；6）溫度到達(dá)設(shè)值后，啟動(dòng)水泵；7）啟動(dòng)風(fēng)機(jī)：打開風(fēng)機(jī)開關(guān)，調(diào)節(jié)調(diào)速電位器，使風(fēng)速最大；8) 觀察巡檢儀顯示數(shù)據(jù)是否正常等。3、工況調(diào)節(jié)1）根據(jù)水溫度利用水泵出口閥門可調(diào)節(jié)熱水流量。2）根據(jù)空氣溫差，調(diào)節(jié)電位器可調(diào)節(jié)空氣流量。3）設(shè)定工況1，測取參數(shù)；4）改變工況，測取各工況參數(shù)。5）記錄各工況數(shù)據(jù)。五、注意事項(xiàng)：（1）熱水溫度不能超過

16、80，防止水泵因氣塞而不能正常工作。（2）試驗(yàn)完畢應(yīng)先關(guān)閉電熱器開關(guān)；（3）十分鐘后關(guān)閉水泵、風(fēng)機(jī)開關(guān)；（4）最后，切斷電源。六、數(shù)據(jù)處理1、空氣獲熱量： (W)2、熱水放熱量： (W)3、平均換熱量：， (W)4、熱平衡誤差：5、傳熱系數(shù)：=傳熱系數(shù)： (W/m2)式中： ()對(duì)于翅片管，管外放熱系數(shù)可以有不同的定義公式，可以以光管外表面為基準(zhǔn)定義放熱系數(shù)，也可以以包括翅片在內(nèi)的管外表面積為基準(zhǔn)定義。以光管外表面為基準(zhǔn)定義： ；以包括翅片在內(nèi)的管外表面積為基準(zhǔn)定義： ?？諝赓|(zhì)量流量：由于溫度變化不大孔板流量系數(shù)，0.60.65；孔板空口面積,m2；空氣密度，Kg/m3；孔板前后壓差，Pa；6

17、、空氣側(cè)壓力損失： 對(duì)公式兩邊取對(duì)數(shù) ，則為直線的斜率，為截距。從而得出，因此可以計(jì)算出空氣側(cè)壓力損失方程式的具體形式。其它符號(hào)同前。巡檢儀設(shè)置符號(hào)名稱設(shè)定數(shù)值測試范圍傳感器類型傳感器用途-n1第1通道開0-199.9320.0Pt100.1鉑電阻溫度-n2第2通道開0-199.9320.0Pt100.1鉑電阻溫度-n3第3通道開0-199.9320.0Pt100.1鉑電阻溫度-n4第4通道開0-199.9320.0Pt100.1鉑電阻溫度-n5第5通道開0-199.9320.0Pt100.1鉑電阻環(huán)境溫度-n6第6通道關(guān)1-n7第7通道關(guān)1-n8第8通道關(guān)1附表1 空氣參數(shù)表溫度（）密度（k

18、g/m3）比熱容(kJ/kgK)溫度（）密度（kg/m3）比熱容(kJ/kgK)11.2471.009271.1381.01321.2431.009281.1341.01331.2381.009291.1311.01341.2341.009301.1271.01351.2291.009311.1241.01361.2241.009321.1201.01371.2201.009331.1171.01381.2151.009341.1331.01391.2111.009351.1101.013101.2061.009361.1061.013111.2021.0095371.1031.013121.1981.0099381.0991.013131.1931.0103391.0961.013141.1891.0107401.0921.013151.1851.0112501.0561.017161.1811.0116601.0251.017171.1771.0120700.9961.017181.1721.0124800.9681.022191.1681.0128900.9421.022201.1641.0131000.9161.022211.1611.0131200.8701.026221.15