毕业设计（论文）选择换热设备运行参数的实验研究

1、南华大学化学华工学院毕业设计一、引言在工业生产中，为了实现物料之间热量传递过程的一种设备，统称为换热器。它是化工、炼油、动力、原子能和其它许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备。对于迅速发展的化工、炼油等工业生产来说，换热器尤为重要。换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。换热器是一种节能设备，它即能回收热能，又需消耗机械能。因此，度量一个换热器性能好坏的标准是换热器的传热系数k和流体通过换热器的阻力损失p。前者反映了回收热量的能力，后者是消耗机械能的标志。强化传热过程是化工生产中对传热过程的经常的要求之一。而提高传热系数是强化传热过程的关键措施之一。因此对影响总

2、传热系数k的各个因素的研究非常重要。本课题通过对化工原理实验室内no.2换热器运行数据的实测，使用正交实验方法对数据进行了处理，得出：换热器总传热系数与空气流量、冷水流量成正比，与空气进口温度成反比的规律，选出了更优的方案，并用传热理论给出相关的解释。1. 换热器的应用范围在工业生产中，为实现物料之间热量传递过程的一种设备统称为换热器。他是化工，炼油，动力，原子能和其他许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备。对于迅速发展的化工，炼油等工业生产来说换热器尤为重要，通常在化工厂的建设中，换热器约占总投资的1020%。在石油炼厂中，换热器约占全部工艺设备投资的3540%在化工生产中，为了工艺流程需要

3、，要进行个中不同的 换热过程：如加热，能却，蒸发和冷凝等。换热器就是用来进行这些热传递过程的设备，通过它，使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足工艺上的需要。换热器随着使用目的的不同可以把他分成为：热交换器，加热器，冷却器，冷凝器，蒸发器和再沸器等，由于使用的条件不同换热设备又有各种各样的形式和结构。有时换热器作为一个单独的 设备，有时则作为某一工艺设备中的组成部分，如氨合成塔中的下部热交换器，精馏塔底部的再沸器和顶部的回流冷凝器或分凝器，总之，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。在换热设备中，应用最广泛的是管壳式换热器，他是被当作一种传统的标准换

4、热器，在许多工业部门中被大量使用，管壳式结构，它具有选材范围广，换热表面清洗较方便，适应性强，处理能力大，能承受高温和高压等特点。另一种高效，紧凑式的新型换热设备，即板式换热器，已发展成为一种重要的化工设备。它使用的 介质相当广泛，从水到高粘度的非牛顿型液体，从含有小直径固体颗粒的物料到含有纤维的物料均可处理，从生产工艺上说，它可以用做液体的加热，冷却，冷凝或蒸发，单体的气提，溶液的 浓缩，聚合，脱气，干燥等，总之，板式换热器的应用场合很广，随着化学工业的发展，近年来，发展了一些新的换热设备，如板翅式换热器，螺旋板换热器，伞板式换热器，板壳式换热器等从以上介绍，在化工生产中所使用的换热器种类和

5、形式很多的，但完善的换热设备至少应满足下列几种因素：1保证达到工艺所规定的换热条件，2强度足够几结构可靠3便于制造，安装和检修4经济上要合理在过程工业中，换热器是如此的重要并如此广泛的用应，一直于题目的设计已经得到高度的发展。以有的换热器的规格详细的概括了材料，制造方法，设计技术和尺寸/绝大多数的换热器是液液换热器，但在换热器中也可以处理气体和不冷凝的蒸汽。对于在少量管子中不能稳定控制的流速的情况，简单的套管式换热器不合适。如果几个套管并行使用，外侧管子所需金属的重量非常大，而套管式结构中将一个外壳作为许多管子使用，故壳管式 显得更经济。因为换热器有一个壳程和一个管程，所以被称为1-1式换热器

6、。换热器中壳程和管程的传热系数具有相当的重要性，两者必须都大，才能得到一个满意的总传热系数。壳程液体和管程液体的流速和湍动同样重要。为了反之管子古代板的强度减弱，管子之间必须有一个罪行距离，而且管子防止过密以致管外侧即壳程的通道面积以及管内即管程的通道面积一样少是不可能的。如果两股物流有相当的流量，壳程的流速就会比管程的少。因此，在管内防止挡板以减少壳程液体的流动的截面积，迫使也是垂直的流过而不是平行的流过管束。这种流动产生的附加湍动进一步提高了壳程的传热系数。1-1型换热器有一些局限性。而多程换热器实现了高；流速，短管子以及对膨胀问题的更满意的解决方法。多程换热器降低了流体的流通截面积，提高

7、了流速，从而导致传热系数的相应提高。其缺点有:（1）换热器这种稍微复杂些，（2）高流速和重复的出入口损失导致通过设备的摩擦损失增加。在多程换热器中采用偶数的管程。而壳程可以是单程的可多程的。常用的设备是1-2型平行逆流换热器，其中壳程液体通过一个壳程而管程液体流过一个或多个管程。1-2型换热器也有一个重要的缺点。由于采用是平行流动，故这种换热器不能将一路流体的出口温度接近于另一路流体的入口温度。换句话说，1=2型换热器的热回收率必然很差。较好的热回收率可在2-4型换热器中实现。这类换热器有两个壳程和四个管程。相对于只有两个管程的-2型换热器，在同样流量下操作，2-4型换热器有比较高的流速和比较

8、大的总传热系数。对于低于大约20大气压的中低压下的流体间的换热，板式换热器可以和壳管式换热器向媲美，特别是当需要采用防腐蚀材料时。通常带有波纹免得金属板用框架支撑，热流体通过间隔的板间，与相邻板间的冷流体进行热交换。板可以轻易拆开进行清洗。通过增加板数可以简单的提供附加的传热面积。和壳管式换热器不同，板式换热器可以用于多股流的换热目的，例如几个不同的流体分别流过换热器的不同部分而且相互之间保持距离。板式换热器对于粘稠的流体相对更有效。换热器类型很多，特点不一，在化工、石油、动力、制冷、食品等行业中有广泛的应用,且它们是上述这些行业的通用设备，占有重要的地位。随着我国工业的不断发展，对能源的利用

9、、开发和节约的要求不断提高，对换热器的要求日益强烈。特别是对换热器的研究显得更重要。2. 换热器的分类（一）按作用原理和实现传热的方式分类（1）混合式换热器 它是实现两种流体的直接接触与混合的作用来进行热量交换的。为了获得大量的接触面积，可在设备中放置搁栅或填料，有时还把液体喷成液滴。（2）蓄热式换热器 它是让两种温度不同的流体轮流通过同一种固体填料的表面，使填料相应的被加热和被冷却，而进行热体和冷流体之间的热量传递。为了过程连续，这种换热器都是成对使用。生产中热，冷流体会有少量混合。（3）间壁式换热器 它是利用一种固体壁面将进行热交换的两种流体隔开，使它们通过壁面进行传热。这类换热器应用最为

10、广泛。（二）按使用目的分类（1）冷却器 冷却工艺物流的设备。一般冷却剂多采用水。若冷却温度低时，可采用氨或者氟利昂为冷却剂。（2）加热器 加热工艺物流的设备。一般采用水蒸气，热水和烟道气等作为加热介质，当温度要求高时可采用导热油，熔盐等作为加热介质。（3）在沸器 用于蒸馏塔底汽化物料的设备。（4）冷凝器 将气态物料冷凝变成液态物料的设备。（5）蒸发器 专门用于蒸发溶液中的水分或者溶剂的设备。（6）过热器 对饱和蒸汽再加热升温的设备。（7）废热锅炉 由工艺的高温物流或者废气中回收起热量而发生蒸汽的设备。（三）按传热面的形状和结构分类（1）蛇管式换热器（2）套管式换热器（3）壳管式（列管式）换热器

11、：这类换热器又可分为固定管板式，u形管式和浮头式等。（4）螺旋板换热器（5）板式换热器（6）伞板式换热器（7）板翅式换热器（8）板壳试换热器（四）按所用换热器材料分类一般可把换热器分成金属材料和非金属材料两类（五）其他形式的换热器这类换热器一般都是 为了满足某些特殊要求而出现的，有些还处于发展阶段，其中比较成熟的，如回转式换热器和热管等。注：1. 在本次课题论文中，除温度以单位以外，其余如未标明均采用国际单位制。 2. 在本次课题论文中，各公式符号如未详细标明，请参考附录中符号约定。二、 课题设计原理（一）、换热器原理在工业生产中换热器是一种经常使用的换热设备。它是由多个传热元件（如列管换热器

12、的管束）组成。冷、热流体借助于换热器中的传热元件进行热量交换而达到加热或者冷却任务。由于传热元件的结构形式繁多，由此构成的各种换热器之性能差异颇大。为了合理的选用或设计换热器，对他们的性能应该要充分的了解。除了文献资料以外，实验测定换热器的性能是重要途径之一。换热器是一种节能设备，它即能回收热能，又需消耗机械能。因此，度量一个换热器性能好坏的标准是换热器的传热系数k和流体通过换热器的阻力损失p。前者反映了回收热量的能力，后者是消耗机械能的标志。传热系数k和传热量q是换热器最关键的参数。换热器中的总传热系数k值主要取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等，因而k值变化范围很大。 温差

13、校正系数t恒小于1,这是由于在列管换热器内增设了折流挡板及采用多管程，使得换热的冷、热流体在换热器内呈折流或错流，导致实际平均传热温差恒低于纯逆流时的平均传热温差。当t值小于0.8时，则传热效率低，经济上不合理，操作不稳定。总传热系数，又称传热系数，是表征换热器换热性能的重要参数。对影响换热器总传热系数大小的各个参数的研究有着很重要的经济意义！（二）、正交实验原理正交实验中有两个概念：因素：在试验中对试验指标有影响的各种原因称为因素。水平：因素变化的各种状态叫做因素的水平。安排试验方案的步骤第一步：明确试验目的，确定试验指标； 第二步：挑因素选水平；第三步：选用正交表 ；第四步：表头设计；第五

14、步：列出试验方案；用正交试验法安排试验，需要用一类事先已排好的表格，这类表格叫做正交表，由于我们考虑的是三因素三水平的换热器的传热量，所以采用l9（34）正交表， 三因素三水平正交表设计如下：实验编号进气流量（a）进气温度（b）冷水流量（b）111121223133421252236231731383219332正交实验处理步骤：1第一步：填写试验结果，找出试验中结果最好的一个；并计算指标总和2第二步：计算各列的k、m和r. 3第三步：作因素与指标的关系图。 4第四步：比较各因素的极差r,排出因素的主次顺序（r越大的因素越重要） 5第五步；选取较好的水平组合6第六步：实验验证三、 实验部分（一

15、）、实验原理 本次实验的总体原理是：首先分析可能会对总传热系数k值产生较大影响的因素，再利用正交实验法设计实验方案，设计恰当因素水平，通过对化工原理实验室内no.2号换热器的数据实测，计算出总传热系数k值，然后利用正交实验法进行极差分析，分析出各因素对总传热系数k值的影响趋势及规律及因素间的主次关系，给出相应的理论解释及实际生产中的建议。1. 关于空气湿度h：在计量法中规定,湿度定义为“物象状态的量”。日常生活中所指的湿度为相对湿度，rh表示。总言之，即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比。（1.）空气湿度的表示方法一般常用绝对湿

16、度、相对湿度和饱和差三种不同量度方法来表示空气湿度。1.）绝对湿度（absolute humidity）指每立方米空气中所含水汽的克数。通常用水汽压大小来表示，其单位为百帕或毫米。绝对湿度大，空气比较潮湿；绝对湿度小，空气比较干燥。在一定温度下，空气中的水汽含量有一个最大的限度，达到这个限度时的水汽压，叫饱和水汽压。饱和水汽压随着空气温度的升高而迅速变大。 但是,即使水蒸气量相同,由于温度和压力的变化气体体积也要发生变化,即绝对湿度发生变化。2.）相对湿度（relative humidity）指空气中的实际水汽压（即绝对湿度）与当时温度下饱和水汽压的百分比。相对湿度是个百分数，没有单位。相对湿

17、度小，说明当时的空气远没有达到饱和状态，空气高燥；相对湿度大，表明接近饱和，空气潮湿。这种表示方法，便于对不同温度下的湿度进行比较，其用途广泛，农业上用此方法表示空气湿度，是我们介绍和掌握的重点。气体中的水蒸气压（e）与其气体的饱和水蒸气压（s）的比用百分比表示。表示rh=e/es100%但是,温度和压力的变化导致饱和水蒸气压的变化,rh也将随之而变化。 3.）饱和差指当时温度下的饱和水汽压与空气中实际水汽压之间的差值。饱和差越小，说明空气越潮湿，饱和差越大说明空气越干燥。 以上三种表示湿度的量值，都可以用仪器测定和查算出来。（2.）空气湿度的测定方法1.）用干湿球温度表测定空气湿度干湿球温度

18、表是测定空气湿度的基本仪器和主要方法之一。它是由两支大小、形状完全相同的温度表组成，这两支温度表分别垂直安装在一个特定的环境（即百叶箱）中的架子上，其中一支用来测定空气温度，称作“干球温度表”，另一支球部包一块湿纱布，称作“湿球温度表”，纱布下端伸入水杯内。当空气中的水汽不是饱和状态时，湿球水分不断蒸发，消耗热量，使湿球温度表降温。这样干、湿球温度表之间形成了一定的温差。空气中的湿度越小，湿球蒸发越快，湿球温度下降越多，干湿球差值也越大。反之相反。知道了干湿球温度表的读数，用专门查算湿度的气象常用表1号，就可以查出绝对湿度、相对湿度和饱和差。要使测得的湿度准确，首先要处理好湿球温度表。包扎湿球

19、温度表用的纱布吸湿性能要好，并应保持纱布的清洁。湿球纱布应每周更换一次。更换时，将事先准备好的纱布放在干净的水中浸湿，然后把一端紧包在水银球表面（不能有皱褶），纱布在球部的重叠部分不能超过球部面积的四分之一。包好后用纱布分别把球部上面和下面的纱布扎好，注意要使纱布紧贴球部，纱布另一端下垂放入水中，杯口离球部约三厘米。水杯内最好放蒸馏水，也可用经过过滤的清洁雨水或无沉淀物的凉开水，但不能用井水和泉水。水杯添水时间不能迟于观测前半小时。观测时，眼睛和水银柱顶端齐平，先读干球，后读湿球；先读小数，后读整数。记录下数据后，回室内进行器差订正和湿度查算。对水蒸气-空气系统，湿球温度与绝热饱和温度近似相等

20、。干球温度t，湿球温度，露点温度。因此可以通过湿空气的h-i图（见附录）查出干、湿球温度所对应的空气湿度！2. 关于湿空气的焓值i及i：湿空气中1绝干空气的焓与其所带的h水气的焓之和称为湿空气的焓，即有：i= ig +hivi 湿空气的焓，kj/kg绝干气；ig 绝干空气的焓，kj/kg绝干气；iv 水气的焓，kj/kg绝干气。h湿空气的湿度，kg水气/kg绝干气。在化工原理上册绪论中曾指出焓是相对值，计算必须规定基温和基准状态，为了简化计算，以0为基准，且规定在0时绝干空气与液态水的焓值均为0。在以为的计算中都采用这种规定。根绝焓的定义，对温度t,湿度h的湿空气可写出焓的计算式为：i=cg

21、(t-0)+h cv (t-0)+h r0 或者：i=（cg - h cv）t+h r0 式中r0 =0时水的汽化热，r0 =0.2490kj/kg。故：i=（1.01+1.88h）t+2490h。i为出口湿空气的焓值与进口湿空气的焓值之差，即i= i2 i1 。3. 关于总传热量q：本次实验热损失忽略不计，固可用如下公式来计算总传热量：q=lil为干空气的质量流量（注：本次实验原始记录的空气流量数据为体积流量，在实验处理中体积流量转换为质量流量的操作在实验数据成立程序中自动完成）。体积流量转换为质量流量的过程如下： 本次实验中空气做为湿空气处理，在湿空气中水分所占的体积忽略不计，即把湿空气的

22、体积当成是干空气的体积，又由附录中干空气的物理性质表可查出：各进气温度水平下的干空气对于的密度，由=mv，得出m=v；所以可完成空气体积流量到质量流量的转换，4. 关于总传热系数k： 总传热系数，在新的国家标准里又称传热系数，单位是w/（），它是表征换热器换热性能的重要参数。对影响换热器总传热系数大小的各个参数的研究有着很重要的经济意义！一、 传热速率微分方程（平均温度差法）通过换热器中任一微元面积ds的间壁两侧流体的传热速率方程，可以仿照对流传热速率方程写出，即dq=k（t-t）ds=ktds（4-34）式中k局部传热系数，w/（）；t换热器任一截面上热流体的平均温度，；t换热器的任一截面撒

23、谎能够冷流体的平均温度，。式（4-34） 为总传热系数速率微分方程式，也是总传热系数的定义式，表明总传热系数在数值上等于单位温度差下的总传热通量。总传热系数k和对流传热系数的单位完全一样，但是应注意其中温度差所代表的区域并不相同。总传热系数的倒数1/k代表间壁两侧流体传热的总热阻。应指出，总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，所选择的传热面积不同，总传热系数的数值也不同。 式4-34是总传热速率的微分方程式，积分后才有实际意义。积分结果是用平均温度差代替局部温度差。为此必须考虑两流体在换热器的温度变化情况以及流体的流动方向。为了积分式4-34，应做以下简化假定：（1）传热为定态操作过程。（2

24、）两流体的比热容均为常量（可取为换热器进、出口下的平均值）。（3）总传热系数k为常量，即k值不随换热器的管长而变化。（4）换热器的热损失可忽略。 恒温传热时的平均温度差换热器的间壁两侧流体均有相变化时，例如蒸发器中，饱和争气和沸腾液体间的传热就是恒温传热。此时，冷、热流体的温度均不沿管长变化，两者间温度差会处处相等，即t=t-t。流体的流动方向对t也无影响。因此根据前述假定（3），积分式4-34可得q=ks（t-t）=kst(4-43)二、 变温传热时的平均温度差 变温传热时，若两流体的相互流向不同，则对温度差的影响也不相同，故应予以分别讨论。（一） 逆流和并流时的平均温度差在换热器中，两流体

25、若以相反的方向流动，称为逆流；若以相同的时候流动称为并流，如图4-16所示。由图可见，温度差是沿管长而变化的，故需求出平均温度差。下面以逆流为例，推导出计算平均温度差的通式。图4-16 变温传热时的温度差变化t=(4-45)上式中的t称为对数平均温度差，其形式与第一节中所述的对数平均半径相同。同理，在工程计算中，当/2时，可用算术平均温度差代替对数平均温度差，其误差不大。在应用式4-45时，取换热器两端的t中数值大者为，小者为，这样计算t较为简便。（二） 错流和折流时的平均温度差大多数列管换热器中，两流体并非做简单的并流和逆流，而是比较复杂的多程流动如图4-18所示。在图（a）中流体的流向互相

26、垂直，称为错流；在图（b）中，一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复折流，称为简单折流。若两流体均做折流，或即有折流又有错流，则称为复杂折流。 对于错流和折流时的平均温度差，可才用安德伍德（underwood）和鲍曼（bowman）提出的图算法。该法是先按逆流时计算对数平均温度差，再乘以考虑流动方向的校正因素。即t=t tm（4-46）式中tm按逆流计算的对数平均温度差，；t温度校正系数，无因次。温度校正系数t 与冷热流体的温度变化有关，是p和r两因数的函数，即 t =f(p,r)式中r= p=温度差校正系数t 值可根据p和r两因数从图4-19中的相应的图中查得。图4-19（a）、（b）、（c

27、）及（d）分别适用于壳程为一、二、三、及四程，每个单壳程内的管程可以是2、4、6或8程。图4-20适用于错流换热器。对于其它流向的t 值可查手册或其他传热书籍。 由图4-19及图4-20可见，t 值恒小于1，这是由于各种复杂流动中同时存在逆流和并流的缘故。因此它们的t 比纯逆流的为小。通常在换热器设计中规定t 值不应小于0.8，若低于此值，则应考虑增加壳程方程数，或将多台换热器串联使用，使传热过程更接近于逆流。若在t 图上找不到某种p、r的组合，说明此种换热器达不到规定的传热要求，因而需改用其它流向的换热器。应予指出，温度差校正系数图是基于以下假定作出的：（1）壳程任一截面上流体温度均一致。（

28、2）管方各程传热面积相等。注：以下为图五副！（3）中传热系数k和流体比热容为常数。（4）流体无相变化。（5）换热器热损失可忽略不计。对于1-2型（壳方单程，管方双程）换热器，t 可用以下式计算，即t=()/() （二）、 正交因素水平设定本实验中，实际存在的因素有三个，即空气流量，冷水流量，空气进口温度。各因素的水平值设定：试验之前，应根据实际情况，确定这次试验主要解决哪一个或哪几个问题。针对一个或几个问题确定相应的试验指标。试验指标定了以后，就可着手分析影响这几个指标的各种因素。排除那些对指标影响不大，或已经掌握得较好的因素（即让它们固定在适当的水平上），挑选那些对指标可能影响较大，但又没有

29、把握的因素来进行考察，这里要通过实验，测定在改变进气流量，进气温度，冷水流量的情况下对传热量的影响，以确定最佳的操作水平，由此可知道三个因素，三个因素的水平就需要考虑实际情况，由于进气流量可控范围是在025，而进气温度为0200，冷水流量为1001000，因此可选择的水平就初步确定了范围，又由于考虑到设备不能过热，所以温度不高于150，同时也要和外界有一定的温差，也就不能低于60，实际中，当进气流量比较低，水流量大，进气温度也比较低时，传热效果甚微，难以测定，所以水的流量不高于600，同时，通过几次初步的预测实验，确定了实验的因素水平如下表所列：水平 因素进气流量/h（a）进气温度（b）冷水流

30、量l/h（c）水平11590100水平220120200水平325150300正交表格设计和实验数据记录1 安排实验方案的步骤：(1).明确实验目的，确定实验指标。求总传热系数最大值时的各因素水平值。 (2). 挑因素选水平：指标：在实验中用来考核实验效果的量称为指标。指标分为定性指标和定量指标。 本次实验指标为定量指标：总传热系数的值（最大）。因素：在实验中对实验指标有影响的各种原因称为因素。本次实验所考虑的主要因素为三个：空气流量、空气进口温度、冷水流量。水平：因素变化的各种状态叫做因素的水平。注：本次实验初步考虑各因素都设置为三水平。（由本次实验实际情况决定：1. 本次实验的实验设备：实

31、验室二号设备。本次实验数据处理的处理量。） 水平因素a（空气流量/h）b（进气温度）c（冷水流量l/h）115901002201202003251503002. 选用正交表格：正交实验表：由于本次实验是三因素三水平。故选用l9（34）正交实验表。3. 表头设计：因素空气流量a(/h)进气温度b()冷水流量c(l/h)列号123 4. 列出实验方案表：列号实验号abct2t1t2111121223133421252236231731283219332（三）、实验步骤本次实验步骤分为以下几步：1. 设计正交因素水平及实验方案表2. 记录干、湿球温度3. 设备预热打开冷水阀，调节冷水流量，使有一定冷

32、水流过换热器，最好控制在400l/h。接通电源，打开热空气阀，并调节空气流量在一定流量，最好为15l/h。按下换热器绿色按钮，把温度控制在60。（注：本次实验进口空气温度最低水平是90，由于换热器由低温升高温容易，而高温降到低温较难，为节省时间，预热温度不能超过90，并且所有实验方案的实际安排顺序以进口空气温度由低到高为准。）4. 开始实验，记录数据 分别把冷水流量，空气流量和空气进口温度调节在预先设定的水平，并使之稳定。等足够时间，使得电子显示的冷水出口温度，热空气出口温度稳定下来时，进行读数，记录下此时的空气出口温度，冷水进，出口温度。重复步骤4，完成所有实验方案。5. 关闭换热器（先关加

33、热器，再关气，最后关水，使换热气充分冷却）实验结束，先按换热器上红色按钮，切断电源，再关掉热空气阀。把冷水流量打到最大，让他持续3-5分钟，直到把换热器的温度降下来以及把管内的热空气排尽，再关闭冷水阀。6. 填写实验室仪器使用记录7. 整理实验室，一切恢复原状后退出实验室，关门，交还实验室钥匙。（四）、 实验注意事项1 实验安排，按照预先设定的水平，先从温度低的开始，最后才是温度最高的实验，如果从高温开始实验，就会使换热器的温度难以降下来，延长实验时间，甚至读取虚假数据2 数据读取，换热器数显不断变化，特别是进口温度常有1左右的波动，读数时，要尽量当他的值显示为预先设定值时读数，同时，冷水的温

34、度也有小量波动，因此，也要尽量延长读数时间，尽量是传热达到稳定才读数；3 水平设定，由于空气传热效果差，因此，要尽量把冷水流量控制小，如果过大，传热效果很不明显，冷水温度变化甚微，时间过长，根本读不到想要的数据安全问题，小心触电，另外，当温度调到很高时，比如150度时，别用手去触摸管壁，避免被烫伤，因为当气体温度很高时，管也随着升温。四、 数据处理（一）、 实验原始数据本次实验设备no.2换热器的总传热面积s=0.178。空气湿度记录数据：干球温度：24.0，湿球温度：20.1，所以查表（见附录）可的：空气湿度h=0.015 （kg水气/kg绝干气）。实验号1空气流量/h2进气温度3冷水流量l

35、/h出气温度进水温度出水温度1159010037.123.625.521512020041.222.723.931515030045.421.822.84209020038.038.024.552012030042.522.423.462015010050.321.726.37259030038.738.723.682512010047.022.126.492515020050.821.524.2（二）、 实验处理公式及处理过程单个实验数据处理（使用实验处理程序求出各个实验方案对于的k值）处理详细过程如下：1. 由干、湿求温度查湿空气的h-i表（见附录）可得出对应的空气湿度。2. 计算出口、进

36、口湿空气焓值之差：i=（1.01+1.88h）（t2 t1）3. 计算绝干空气质量流量l：先查表查出各进气温度水平下绝干空气对应的空气密度，再由m =v计算出各进气温度水平下绝干空气质量流量l。4. 计算总传热量q：q=li5. 计算逆流时对数平均温度差tm：tm=(t2 -t1)/(t2/t1) 6. 计算校正系数t ： r= p=t=()/()温差校正系数t恒小于1,这是由于在列管换热器内增设了折流挡板及采用多管程，使得换热的冷、热流体在换热器内呈折流或错流，导致实际平均传热温差恒低于纯逆流时的平均传热温差。当t值小于0.8时，则传热效率低，经济上不合理，操作不稳定。7.计算错流折流时的对

37、数平均温度差tm ：tm=ttm 8. 计算总传热系数k：k=q/(stm)经过以上八步处理以后得出如下结果：实验号1空气流量/h2进气温度3冷水流量l/h传热系数w/（）1159010039.0263621512020036.8146331515030034.698114209020048.7540152012030046.5650362015010042.410987259030057.5168682512010052.3085392515020051.2451同时列出供复核的中间参数表如下：实验号1234567890.9720.8980.8350.9720.8980.8350.9720.

38、8980.835l14.817.9620.87514.817.9620.87514.817.9620.87532.609247.098361.214233.910148.730564.938935.330151.881866.2272p0.02860.01230.00780.01650.01020.03580.01190.04390.0210r27.842165.6667104.900047.272777.500021.673964.124916.976736.74070.98190.99180.99460.99060.99380.97950.99390.97840.988632.019446

39、.712460.883333.592948.429163.605135.114550.762465.470354.920881.8102108.907253.986480.4605103.508553.259775.7886102.9894q222.4292306.1063378.9062291.5266401.4085480.1646359.5027472.6262597.1957注：以上表格中的参数符号意义及单位如下：干空气密度，kg/; l：空气的质量流量，kg/h; ： 逆流时的冷热流通对数平均温度差，；p 与r：是对数平均温度差校正系数的两个因数，具体定义为r= p=； ：温度差校正

40、系数，无因次；错流和折流时对数平均温度差，：出口、进口湿空气焓值之差，kg/kg绝干气； q：总传热量，j/s。（三）、 实验处理程序（c语言）#include stdio.h#include conio.h#include math.h /*定义湿度h 和传热面积s变量*/ float h; /*定义空气湿度*/ float s=0.178; /*总传热面积*/ float gasflow; /*空气流量*/ float gasintem; /*进气温度*/ float gasouttem; /*出气温度*/ float waterintem; /*进水温度*/ float waterout

41、tem; /*出水温度*/ float gasdensity; /*空气密度*/ float valueq; /*q值*/ float valuek; /*k值*/ float qdt; /*校正系数*/ float dtm;float qn(float h,float t2,float t1) /*计算i2-i1*/ float di; di=1.01+1.88*h; di=di*(t2-t1); di=fabs(di); printf(the di is %f !n,di); return(di);void q() /*计算传热量*/ float gt1,gt2,q; gt2=gasout

42、tem; gt1=gasintem; q=qn(h,gt2,gt1) ; q=gasflow*gasdensity*q; /*kj/h*/ valueq=q/3.6; /*转换为si单位制j/s*/void qdt() /*计算校正系数*/ float p,r,wt1,wt2,dt1,dt2,gt1,gt2,qdt,v,y; gt2=gasouttem; gt1=gasintem; wt2=waterouttem; wt1=waterintem; p=(wt2-wt1)/(gt1-wt1); printf(the p is %f !n,p); r=(gt1-gt2)/(wt2-wt1); pr

43、intf(the r is %f !n,r); v=fabs(1-p)/(1-p*r); y=fabs(2/p)-1-r+sqrt(r*r+1)/(2/p)-1-r-sqrt(r*r+1); qdt=sqrt(r*r+1)/(r-1); qdt=qdt*log(v); qdt=qdt/(log(y) ; qdt=qdt; printf(the qdt is %f !n,qdt);void dtm() /*计算逆流情况时的对数平均温度差*/ float wt1,wt2,dt1,dt2,gt1,gt2,dtm,z,b; gt2=gasouttem; gt1=gasintem; wt2=watero

44、uttem; wt1=waterintem; dt1=fabs(gt2-wt1); dt2=fabs(gt1-wt2); if(dt1=dt2) b=dt1; dt1=dt2; dt2=b; z=fabs(dt2/dt1); dtm=fabs(dt2-dt1)/log(z); dtm=dtm*qdt; printf(the dtm1 is %f !n,dtm); printf(the dtm2 is %f !n,dtm);void k() /*计算总传热系数*/ float dtm,s,q; s=s; q=valueq; dtm=dtm; valuek=q/(s*dtm);main() pri

45、ntf(please input h n); scanf(%f,&h); printf(please input t1 t2 gasflow gasdensity!n); scanf(%f %f %f %f,&gasintem,&gasouttem,&gasflow,&gasdensity); printf(give the t1 t2 is !n); scanf(%f %f,&waterintem,&waterouttem); q(); qdt(); dtm(); k(); printf(the q is %f !n,valueq); printf(the k is %f !n,valuek

46、); getch();（四）、 数据极差分析k1110.5391145.2972133.7459k2137.73135.6882136.8137k3161.0705128.3542138.78m136.8463648.4324144.58195m245.9100145.229445.60458m353.6901642.7847346.26r16.84385.6476811.678043rn（整）1762其中kn对应行的值为与之对应的列（因素）处于水平n时三次总传热系数的总和，mn对应行的值为与之对应的列（因素）处于水平n时三次总传系数的总和的平均值，极差r对应行的值为所对应列（因素）的mn值中

47、最大与最小的差，及该因素对传热量产生的影响（落差）。rn为对r的取整，极差的大小反映了因素变化时试验指标的变化幅度，所以因素的极差越大；就是该因素对指标的影响越大，它就越重耍。由rn可以直观的看出，rn(a)rn(b) rn(c)，即因素a，b，c对k的影响逐渐减小，可以知道，空气流量对k影响最大，其次为进气温度，冷水流量的影响甚微。即它们的主次顺序是： 主 次 a b c可以看出，气体流量和总传热系数是递增关系，当流量为最大时，k最大，依据正交实验原理，可以预计选择气体流量（a）为3水平，即25时做为最佳气体流量可以看出，气体进入温度和总传热量是递减关系，当温度为最小时，k最大，依据正交实验

48、原理，可以进气温度t1为1水平，即90度时k为最大！ 可以看出，冷水流量和总传热系数是递增关系，当流量为300时，k最大，依据正交实验原理，可以预计选择冷水流量为3水平，即300时做为最佳冷水流量。因此可得出结论：在所设的换热器三个参数（进口空气流量、进口空气温度、冷水流量）的水平范围内，实验方案9即：3、1、3为最佳方案。亦即：当进口空气流量为25/h、进口空气温度为90 冷水流量为300/h时，总传热系数k值最大。（五）、 实验结果分析对主要因素，根据mn(n代表1，2，3)的大小，选取平均指标好的水平。对次要因素可以选取平均指标好的水平，综上所述，可以初步得出以下三个观点：1. 空气流量

49、越大，总传热系数k越大，并且空气流量是影响总传热系数大小的最主要的因素2. 进口空气温度越低，总传热系数越大。3. 冷水流量与总传热系数k呈大致的正比关系，但是属于次要因素，最总传热系数k的大小影响可忽略不计，可配合换热的其他因素考虑。由以上三点我们可以得出结论：当水平选定为3 1 3即：空气流量为25、进口空气温度为90、冷水流量为300时候总传热系数k最大。做验证实验，重复实验方案7、得到如下数据：验证实验空气流量进气温度冷水流量出气温度进水温度出水温度10259030039.123.023.6注：由于三次验证实验及原始实验都不是在同一时间完成。所以空气湿度有所变化，故干、湿球温度数值也做

50、为实验所必须测的一个参数。干球温度湿球温度2520.5查附录的湿空气h-i图可以可知：空气湿度h=1.04kg水气/kg绝干气。重复以上处理过程得到数据结果如下：验证实验空气流量进气温度冷水流量k10259030056.701908供复核的中间数据如下表：l p r q0.97214.835.50060.009084.83330.995535.341552.8444356.6996符号约定不变。把验证实验的结果与以前做的9个实验方案想比较，可以看出，尽管数据稍有偏差，但是与除了方案7以外的8个方案想比较，验证实验所得出的总传热系数k值仍然是最大的。所以结论完全成立。（六）、传热理论分析由总传热

51、系数定义式dq=k（t-t）ds=ktds（6.1）可推导出总传热系数k的计算式： （6.2） （6.2a） （6.2b）注：公式下标中i表示管内数值；o表示管外数值；m表示平均数值。在换热器实际操作中，传热表面上常有污垢存在，对传热产生附加热阻，使总传热系数降低。在估算k值时一般不能忽略热阻。通常选用污垢热阻的经验值作为计算k值的依据。若管壁内、外侧表面上的污垢热阻分别用、表示，则式（6.2）变为： （6.3）式中、分别为管壁内、外侧表面上的污垢热阻。式（6.3）表明，间壁两侧流体间传热的总热阻等于两侧流体的对流传热热阻、污垢热阻及管壁热传导阻之和。当传热面为平壁或薄管壁时，、和相等或者近于相等，则式（6.3）可简化为：当管壁热阻和污垢热阻均可以忽略时，上式可简化为：若，则，由此可知，总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制，即当两个对流传热系数相差比较大时，欲要提高k值，关键在于提高对流传热系数较小的一侧。若两侧的相差不大时，则必须同时提高两侧的，才能提高k值。若污垢热阻为控制因素，则必须设法减慢污垢形成速率或清除污垢。而对流传热系数的定义式为： 平均对流传热系数，w/（）；q 对流传热速率，w；s 总传热面积，； 流体与管壁（或反之）间温度差的平均值，。 而q=c 由以上理论可对本次实验结果做出解释： 因为本次实验中是热流体空气走管内，故：，所以空气流量影响