數(shù)據(jù)整理與計(jì)算范例

1、熱父換器組合(HeatExchang©r)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?瞭解各式熱交換器，熱傳送情況及其原理。2 *由實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得總熱傳係數(shù)*估算總括熱傳係數(shù)U。或U/3 比較並流操作coYurwnl與逆流操作courHecurwnt對熱傳效果的影響。4判斷實(shí)驗(yàn)設(shè)備之積垢因子°二、相關(guān)知識一套管熱交換器套管熱交換器，其構(gòu)造如圖一所示，係由管徑大小不 同之同心151管所構(gòu)成。大管內(nèi)安置同心之小管；流體在內(nèi)管內(nèi)流 動：而另一流體則在內(nèi)管與外管內(nèi)之圜環(huán)形空隙間流動，兩流體可 做並流co-current或逆流couutmcurreTit流動，在其中進(jìn)行熱傳5圖套管式熱交換器逆流町並流式co-cur

2、rent操作熱水在外側(cè)，冷水在內(nèi)側(cè)，同向流動，其接觸情形及溫度分佈,如圖二所示°距冷流入距離圖二 並流式流動對冷熱水作能量結(jié)算如下；能量釋出(power emitted* Qp hC Ph( T 血亠 T hout) q©= m hC Ph( T hin T hout)(1)能景吸收(power absorbed)= Qcp cC pc ( T coui- T 咖) 4a= m cC Pc( 1 cout- T cin)(2)能量吸收xlOO%(3)對數(shù)平均溫度2X7"4InL能量吸收總攝熱溥係數(shù)-熱傳面積%對數(shù)平均溫度° = Eg(5)Qh ：熱水之流

3、率"min Qc ：冷水之流率1/min p h :熱水之密度kg/m3 p c :冷水之密度kg/ti2 Cph；熱水比熱kcag°C Cpc :冷水比熱k悶l/kg*C A :熱傅總外表積出 Tm：對數(shù)平均溫度乜 丁血：熱水進(jìn)口溫度上 Thout :熱水出口溫度'C Tcin:冷水進(jìn)口溫度r Tgm：冷水出口溫度°C in h :熱水質(zhì)最流率kg/$ mc：冷水質(zhì)ft流率kg/s U :總括熱傳係數(shù)W/maC *ATlm與同義賁驗(yàn)時，測量冷水及熱水出入口溫度，熱交換之總外表積A H dL ，以及冷水及熱水質(zhì)量流率kg/s，則可由5 式求得總 括熱傳係數(shù)

4、。b逆流式countEcurwnt操作熱水外側(cè)*冷水內(nèi)側(cè)T逆流流動'其接觸倩形及溫度分佈如圖 三所示*能量釋出(Qe) = QhP hC Ph( T bin- T hout)能量吸收(qa)=QcQcC Pc( T cout T cin)能量損失弓豈量釋出能量吸收9a效率n%=能量吸收能量釋放xioo對數(shù)平均溫度=總括熱傅傑數(shù)二能量吸收 _ 熱傅面積X對數(shù)平均溫度(二)殻管式熱交換器1 管殻(Shell and Tube)熱輸送裝置管殼熱輸送裝置爲(wèi)圓簡形殻套，配合列管所構(gòu)成，仍應(yīng)用最 廣、最爲(wèi)普通之設(shè)備，分定頭式、浮頭式與U型管式等三種，並 依管外與管內(nèi)液體流動趟K(Pass numb

5、er)冠上數(shù)字D定頭(Fixed head)式如岡五)所示，列管裝配於兩端之管板> 而管板固定於殻套之突緣上*屬於1" 熱輸送裝置(管外流一趟， 管內(nèi)流四趙)。此種熱輸送裝置因管板固定，如溫度之變化大時， 由脹縮現(xiàn)象容易漏洩。圖五管殻定頭熱輸送裝萱浮頭(Floating head)式如(圖六)所，列管裝配於兩端之管 板-而背板之一片固定於殼套之一端之凸緣上，另一片則不固定， 稱其爲(wèi)浮管板(Floating tube sheet) »其直徑較殼套之內(nèi)徑略小1利 用塡料開口壓圈，將浮頭蓋(Plating head cover)固定於浮管板上不 固定所以在殼套內(nèi)自由脹縮，不

6、致發(fā)生應(yīng)力。U型管式如(圖七)所示*僅有一片管板 > 列管均舞曲成U 型 ' 伸入殻套內(nèi)“吐種裝置之構(gòu)造簡單，價(jià)格較廉，又有熱脹冷縮 之餘地，適用於高溫高壓之熱輸送'但因管子之清理不易，並且管 子不易更換，適用於潔淨(jìng)不生垢之液體。圖六管殼浮頭熱輸送裝置曲口戕a出口aa圖七 管殻U型熱輸送裝置TUBE LENGTH(O)TUBE LENGTH(b)LJ疋 fl&Mdd 乏11J_L圖八 殼管交換器的溫度-長度曲線:/ -(a) 1-2 excha nger (b) 2-4 excha ngerQ60.59 O0.80700.10.2 Q3 04 Q5 0.60.70

7、8 OS I。(a)1.00.9Q60.5%(b)0.8020304 Q5 0.6070.805：§ §護(hù)107, Tlm)之校正:圖 九 LMTD(logarithmic mean temperature differenee(a)1-2 excha nger (b) 2-4 excha nger對橫越流動的 LMTD 之校正(Correction of LMTD for cross-flow) 假設(shè)一流體垂直流向一加熱或冷卻的管群 > 貝LhfTD只適用於流體之 一的溫度爲(wèi)常數(shù)的情形 > 假設(shè)兩種流6S的溫度都是變動的 > 則溫度的 情形不相當(dāng)於逆向流

8、動*也不相當(dāng)於同向流動 ' 而是另一種型式的 流動*稱爲(wèi)橫越流動(crossflow)當(dāng)不是同向或逆向的流動型式出現(xiàn)時 > 通常都定義一個校正因 子件，當(dāng)此因子乘以逆向流動的LMTD時*其乘積即爲(wèi)真正的平均 溫度降。(圖九)(町和(b顯示出2和24交換器的巧，這是由假設(shè) 總藕傳係數(shù)爲(wèi)常數(shù)及所有通過交換器給定流束的所有示素都曾經(jīng)歷 相同的熱歷史(lhermal history)。圖中每一條曲線都應(yīng)著某個恆定的 無因次？，其定義爲(wèi)：(6)且橫座標(biāo)爲(wèi)無因次比値的値*其定義爲(wèi)AO caZ因子爲(wèi)熱流體的溫度降比上冷流體的溫度升'弘因子爲(wèi)加熱 有效程度(heating effecti

9、veness) 也就是冷流體實(shí)際的溫度升比上 可能獲得的最大溫度升 > 即當(dāng)熱端的溫距(approach)接近於零時所 得到的値(基於逆向流動)。從和Z的數(shù)値，就可由(圖九)讀 出耳因子値 ' 此値再乘以逆向流動的値就得真實(shí)的平均溫度 降，在必要的時候，可就Z常數(shù)曲線問，以內(nèi)插法求得氣的値因此，U = q a/(A*F g* Tim),此式應(yīng)用於1-2與2-4殼管熱交換器*本實(shí)驗(yàn)之裝置為1-1殼管熱交換器,公式為U = q a/(A* Tim)附：有關(guān)對流與熱傳導(dǎo)結(jié)合的總熱傳係數(shù) U之緣由:如上圖，A為一圓管壁剖面，管內(nèi)、外為流體，由於流體有黏度 造成與管壁間形成一邊界層(bou

10、ndary layer，此邊界層會因管內(nèi)流體 流速增加而變薄)，又，邊界層具有熱傳阻力而造成一溫度梯度，其 熱傳係數(shù)分別為ho、hi；邊界層除外的流體因流體的對流可視為均一 溫度，溫度分別為、T4,故總熱傳係數(shù)qq = T / 藝RUA Toverall藝R:總熱阻，包括內(nèi)、外邊界層熱阻及管材之熱阻三項(xiàng)，假設(shè)有積 垢，其熱阻也應(yīng)一併考慮進(jìn)去。 T overall = T1 -T 4由數(shù)學(xué)導(dǎo)得，總熱傳係數(shù) U如下所示：Ui = 1 / 1/hi + (ro -ri)Ai/(kAAAlm) + Ai/(A°h。)Uo = 1 / A o/(Ai hi)+ (ro -ri)Ao/(kAAA

11、 lm) + 1/ hoAi、Ao、Aa lm分別為金屬管之內(nèi)、外外表積及對數(shù)平均面積。當(dāng)流體流經(jīng)熱交換器時，假設(shè)整個熱交換過程的每丨點(diǎn)溫度差(Th-Tc或厶T)都不變，則q = UA(T h-Tc) = UA T然而，流體流經(jīng)熱交換器時，假設(shè) T是隨熱交換過程的位置而改 變時，則上述溫度差有誤，由數(shù)學(xué)導(dǎo)得變成對數(shù)平均溫差 Tm ,亦即 q 二 UA Tm四、實(shí)驗(yàn)步驟在熱水槽加熱的同時應(yīng)先校正冷、熱水流量計(jì)可同時進(jìn)行校正:亦即 固定某丨流量計(jì)刻度，量測3分鐘之實(shí)際流量，並作校正曲線圖，求出校 正方程式，為以下實(shí)驗(yàn)計(jì)算用。一螺旋套管雙套管式熱交換A、逆流裝置改成逆流1. 開關(guān)箱選擇套管按鈕。2.

12、 檢查熱水槽應(yīng)裝八分滿的水，設(shè)定熱水槽溫度為55 C,關(guān)閉熱水流量計(jì)閥，打開熱水pump使循環(huán)攪拌，開始加熱。3. 冷水補(bǔ)充槽的水全漏光，再注入水。此因管路水與 冷水補(bǔ)充槽 水溫度相差極大，實(shí)驗(yàn)過程可能因?yàn)檠a(bǔ)充管路水而使冷水補(bǔ)充槽的溫度增加3. 冷、熱水流量計(jì)務(wù)必校正。並畫校正曲線，求岀校正方程式。4. 待熱水槽溫度為50 C時，先調(diào)熱水流量1 L/mi n使系統(tǒng)吸熱3 min ,再固定熱水流 量為 0.4 L/min 。5. 調(diào)整冷水流量 0.2 L/min 。冷、熱水 pump 之 bypass 開關(guān)設(shè)定在 半開"位置。6. 達(dá)穩(wěn)定平衡時溫度不再變化，約3分鐘，紀(jì)錄四點(diǎn)的溫度熱進(jìn)

13、、熱岀、冷進(jìn)、 冷岀及熱水流量，並記錄之。7. 改變冷水流量0.4、0.6、0.8、1 L/min ，重復(fù)步驟5 一 。B、並流裝置改成並流，亦即交換冷水進(jìn)口、岀口接頭 實(shí)驗(yàn)步驟同逆流之步驟，但冷水進(jìn)口、岀口溫度讀取相反*熱交換岀口的冷水不可排入冷水槽，應(yīng)排入水溝！ 二殼管式熱交換A、逆流裝置改成逆流1. 開關(guān)箱選擇殼管按鈕。2. 控制熱水槽溫度為50 C。3. 先調(diào)熱水流量1 L/min使系統(tǒng)吸熱3 min，再固定熱水流量為0.4 L/min。4. 調(diào)整冷水流量 0.2 L/min 。冷、熱 水pump 之bypass開關(guān)設(shè)定在 半開位置。5. 達(dá)穩(wěn)定平衡時約3分鐘，紀(jì)錄四點(diǎn)的溫度熱進(jìn)、熱出

14、、冷進(jìn)、冷出 及熱水流量，並記錄之。6. 改變冷水流量0.4、0.6、0.8、1 L/min ，重復(fù)步驟 一5。B、並流裝置改成並流，亦即交換冷水進(jìn)口、出口接頭 實(shí)驗(yàn)步驟同逆流之步驟，但冷水進(jìn)口、出口溫度讀取相反。*熱交換出口的冷水不可排入冷水槽，應(yīng)排入水溝！ 三板式熱交換逆流1. 開關(guān)箱選擇板式熱交換按鈕。2. 控制熱水槽溫度為50C。3. 固 定熱水流量為0.4 L/min 。4. 調(diào)整冷水流量 0.2 L/min 。冷、熱 水pump 之bypass開關(guān)設(shè)定在 半開位置。5. 達(dá)穩(wěn)定平衡時約3分鐘，紀(jì)錄四點(diǎn)的溫度熱進(jìn)、熱出、冷進(jìn)、冷出 及熱水流量，並記錄之。6. 改變冷水流量0.4、0.

15、6、0.8、1 L/min ，重復(fù)步驟 一5。*冷水不可排入冷水槽，應(yīng)排入水溝！探平安及注意事項(xiàng)1. 本實(shí)驗(yàn)在操作的過程之中，應(yīng)先把管內(nèi)的水及氣泡先予趕走。2. 在實(shí)驗(yàn)過程中，冷 熱水熱交換須等溫度達(dá)到穩(wěn)定後，記錄之五、數(shù)據(jù)整理與計(jì)算範(fàn)例(一)螺旋套管(雙套管)式熱交換(熱傳面積=0.11 m2)A、逆流冷水流量(L/mi n)熱水流量(L/mi n)Th in(C)T h out(C)T c in(C)T c out(C)冷水流量mc(kg/s)熱水流量mh(kg/s)qc(J/s)qh(J/s) T lm(K)U2(kw/m -K)B、並流冷水流量(L/mi n)熱水流量(L/mi n)T

16、h in(C)T h out(C)T c in(C)T c out(C)冷水流量me(kg/s)熱水流量mh(kg/s)qe(J/s)qh(J/s) Tim(K)U2(kw/m -K)由於熱交換的管長太長，並流實(shí)驗(yàn)的Th out與Tc out數(shù)值幾乎相同而無法 計(jì)算 T2與厶Tlm ！2(二)殼管式熱交換(熱傳面積二0.203m )A、逆流冷水流量(L/mi n)熱水流量(L/mi n)Th in(C)T h out(C)T e in(C)T e out(C)冷水流量me(kg/s)熱水流量mh(kg/s)qe(J/s)qh(J/s) T im(K)U2(kw/m -K)B、並流冷水流量(L/

17、mi n)熱水流量(L/mi n)Th in(C)T h out(C)T c in(C)T c out(C)冷水流量mc(kg/s)熱水流量mh(kg/s)qc(J/s)qh(J/s) T lm(K)U2(kw/m -K)2(三)板式熱交換(逆流),(熱傳面積二0.185 m)冷水流量(L/mi n)熱水流量(L/mi n)Th in(C)T h out(C)T c in(C)T c out(C)冷水流量me(kg/s)熱水流量mh(kg/s)qc(J/s)qh(J/s) T im(K)U2(kw/m -K)六、結(jié)果與討論1. 本實(shí)驗(yàn)之公式皆以q = UA Tim為基礎(chǔ)，為何不是q = UA T ?解釋之！2. 穩(wěn)態(tài)下，以qc = UA Tim為基礎(chǔ)(a) 將螺旋套管(雙套管)式熱交換器在逆流與並流時之qc對流量之曲線 作在同一圖上，比較兩者qc之大?。坑懻搎c隨流量變化之趨勢？(b) 作螺旋套管(雙套管)式熱交換器在逆流與並流時之U對流量之曲線作在同一圖上？比較兩者U之大?。坑懻揢隨流量變化之趨勢？*討論U隨冷水流量之變化情形？ why ？(從各項(xiàng)熱阻著手，尤其是邊界