《換熱器原理與設(shè)計》課程實驗指導(dǎo)書

《換熱器原理與設(shè)計》課堂實驗/實踐指導(dǎo)書課程中文名稱：換熱器原理與設(shè)計課程英文名稱：HeatExchangerPrincipalandDeign課程編號：021060230適用專業(yè)：新能源科學(xué)與工程學(xué)時數(shù)：總學(xué)時32，其中：理論28，實驗4學(xué)分?jǐn)?shù)：2課程類別：專業(yè)課程應(yīng)開課學(xué)期：第五學(xué)期實驗/實踐一：換熱器綜合實驗實驗/實踐類型：專業(yè)實驗/實踐學(xué)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(shù)測定方法；3．了解套管式換熱器、板式換熱器等結(jié)構(gòu)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(shù)的測量技術(shù)。二、實驗/實踐內(nèi)容1.通過測量冷熱流體的流量、進(jìn)出口溫度計算換熱器的換熱量，進(jìn)而計算換熱器的傳熱系數(shù)；2.另外結(jié)合換熱器的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，計算冷熱流體與管壁的表面?zhèn)鳠釋α鲹Q熱系數(shù)，進(jìn)而比較三個環(huán)節(jié)的熱阻相對大小。三、儀器設(shè)備本實驗主要對應(yīng)用較廣的三種換熱器進(jìn)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(jìn)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(shè)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(jìn)口壓力表5.數(shù)顯溫度計6.琴鍵轉(zhuǎn)換開關(guān)7.電壓表8.電流表9.冷水出口壓力表10.開關(guān)組11.冷水板式、套管、列管啟閉閥門組12.順逆流轉(zhuǎn)換閥門組13.冷水流量調(diào)節(jié)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(jìn)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(shù)（6），換熱器的傳熱系數(shù)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(jié)合換熱器的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，由式（7）~（8）計算冷熱流體與管壁的表面?zhèn)鳠釋α鲹Q熱系數(shù)，進(jìn)而比較三個環(huán)節(jié)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(shù) (6)內(nèi)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(yù)習(xí)要求：1、溫度計壓力表的讀數(shù)與精度2、系統(tǒng)充水量與水泵運行的注意事項3、實驗的數(shù)據(jù)預(yù)期與讀取4、各種形式換熱器的主要特征及優(yōu)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(guān)閉其它閥門；（3）按順流（或逆流）方式調(diào)整冷水換向閥門的開或關(guān)；（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(diào)整好合適的流量；（2）調(diào)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(guān)分別打開（熱水泵開關(guān)與加熱開關(guān)已進(jìn)行連鎖，熱水泵啟動，加熱才能供電）；（4）利用數(shù)顯溫度計和溫度測點選擇琴鍵開關(guān)按鈕，觀測和檢查換熱器冷—熱流體的進(jìn)出口溫度。待冷—熱流體的溫度基本穩(wěn)定后，既可測出相應(yīng)測溫點的溫度數(shù)值，同時可以讀出轉(zhuǎn)子流量計冷—熱流體的流量讀數(shù)，把這些測試結(jié)果記錄到實驗數(shù)據(jù)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(jìn)行試驗，或需要重復(fù)進(jìn)行試驗時，都要重新安排實驗，并記錄下實驗測試數(shù)據(jù)；（6）實驗結(jié)束后，首先關(guān)閉電加熱器開關(guān)，5分鐘后切斷全部電源。五、實驗/實踐結(jié)果處理1.數(shù)據(jù)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(shù)平均溫差：傳熱系數(shù)：式中：，熱、冷流體的質(zhì)量流量；，熱、冷流體的定壓比熱；，熱流體的進(jìn)、出口溫度；，冷流體的進(jìn)、出口溫度；換熱面積；，進(jìn)出口溫度端差的最大值和最小值。注：冷熱流體的質(zhì)量流量，是根據(jù)修正后的流量計體積流量折算成的質(zhì)量流量。2.繪制傳熱性能曲線，并進(jìn)行比較（1）以傳熱系數(shù)為縱坐標(biāo)，冷水（冷水）流速（或質(zhì)量）為橫坐標(biāo)繪制傳熱性能曲線；（2）對順流和逆流換熱性能進(jìn)行比較；（3）對三種不同型式的換熱器性能進(jìn)行比較。六、實驗/實踐注意事項1．實驗一般不允許學(xué)生請假，確因特殊情況需要請假，須事先經(jīng)指導(dǎo)教師和主管教學(xué)院長批準(zhǔn)；2．實驗期間，不得遲到、早退，有事必須向指導(dǎo)教師請假，不得擅自離隊。必須服從指揮、注意聽講、認(rèn)真參觀、多加思考、記好筆記；3．嚴(yán)格遵守組織紀(jì)律，禁止進(jìn)入受限空間，遵守紀(jì)律，注意安全，未經(jīng)實驗室老師的許可，不得亂動任何設(shè)備。七、預(yù)習(xí)與思考題1、冷熱水箱溫度不恒定對實驗結(jié)果有何影響？2、怎樣按測得的數(shù)據(jù)，計算流體與固體壁面間的對流換熱系數(shù)？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(shù)據(jù)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(jù)實驗結(jié)果說明為什么工程上可以忽略換熱器中間壁的導(dǎo)熱熱阻？附：實驗數(shù)據(jù)記錄表 換熱器名稱環(huán)境溫度℃順逆流熱流體冷流體進(jìn)口溫度℃出口溫度℃流量計數(shù)l/h進(jìn)口溫度℃出口溫度℃流量計數(shù)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(yè)實驗/實踐學(xué)時：2實驗/實踐要求：必做一、實驗/實踐目的通過本實驗的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解套管換熱器的結(jié)構(gòu)和操作方法，比較簡單內(nèi)管與強化內(nèi)管的差異。二、實驗/實踐內(nèi)容1、測定空氣與水蒸汽經(jīng)套管換熱器間壁傳熱時的總傳熱系數(shù)。2、測定空氣在圓形光滑管中作湍流流動時的對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)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(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。4、通過對本換熱器的實驗研究，掌握對流傳熱系數(shù)的測定方法。三、儀器設(shè)備實驗裝置見下圖1-液位計；2-儲水罐；3-排水閥；4-蒸汽發(fā)生器；5-強化套管蒸汽進(jìn)口閥；6-光滑套管蒸汽進(jìn)口閥；7-光滑套管換熱器；8-內(nèi)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(jìn)口閥；12-強化套管空氣進(jìn)口閥；13-孔板流量計；14-空氣旁路調(diào)節(jié)閥；15-旋渦氣泵；16-蒸汽冷凝器以飽和蒸汽為加熱介質(zhì)，加熱空氣。飽和蒸汽走套管殼程，空氣走管程?？諝庥尚郎u氣泵提供，由孔板流量計計量其流量。套管規(guī)格：內(nèi)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(zhǔn)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(diào)節(jié)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(shè)定加熱電壓，啟動電加熱器開關(guān)，開始加熱。2、實驗開始（1）打開加熱開關(guān)一段時間后,蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水經(jīng)過加熱后產(chǎn)生水蒸汽，并經(jīng)過空氣冷卻器冷凝后回到儲水槽中。（2）換熱器殼內(nèi)有水蒸氣后，打開旁路調(diào)節(jié)閥，啟動風(fēng)機，調(diào)節(jié)閥一般開到最大。（3）調(diào)節(jié)空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥的開度,使壓差計的讀數(shù)為所需的空氣流量值(當(dāng)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(guān)時為最大值)。（4）穩(wěn)定3～5分鐘左右后，分別測量空氣的流量，空氣進(jìn)、出口溫度和管壁溫度。(注意：第1個數(shù)據(jù)點必須穩(wěn)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(fù)(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(jié)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(nèi)、外任一側(cè)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(shù)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(shù)，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(nèi)平均溫度，℃；—傳熱內(nèi)管空氣進(jìn)口（即流量計處）溫度，℃。測量空氣進(jìn)出套管換熱器的溫度(℃)均由鉑電阻溫度計測量，可由數(shù)字顯示儀表直接讀出。管外壁面平均溫度(℃)由數(shù)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(shù)。流體無相變強制湍流經(jīng)圓形直管與管壁穩(wěn)定對流傳熱時，對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的函數(shù)關(guān)系為：（4）對于空氣，在實驗范圍內(nèi)，準(zhǔn)數(shù)基本上為一常數(shù)；當(dāng)管長與管徑的比值大于50時，其值對準(zhǔn)數(shù)的影響很小，故準(zhǔn)數(shù)僅為準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)，因此上述函數(shù)關(guān)系一般可以處理成：（5）式中，和為待定常數(shù)。由下式可以計算空氣與管壁的對流傳熱系數(shù)：（6）式中，—空氣進(jìn)出口溫度的平均值，℃；—管外壁面平均溫度，℃。然后計算，（7）調(diào)節(jié)不同的空氣流量，可以獲得多組—數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)繪制在雙對數(shù)坐標(biāo)中，則函數(shù)關(guān)系式變?yōu)椋海?）確定該直線的斜率和截距，即可求出待定常數(shù)和的值。確定空氣在強化管內(nèi)和普通圓形光滑管內(nèi)換熱的對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的原理和方法相同，不過，在類同條件下待定常數(shù)數(shù)值不同。六、實驗/實踐注意事項1．實驗一般不允許學(xué)生請假，確因特殊情況需要請假，須事先經(jīng)指導(dǎo)教師和主管教學(xué)院長批準(zhǔn)；2．實驗期間，不得遲到、早退，有事必須向指導(dǎo)教師請假，不得擅自離隊。必須服從指揮、注意聽講、認(rèn)真參觀、多加思考、記好