《换热器原理与设计》课程实验指导书

《换热器原理与设计》课堂实验/实践指导书课程中文名称：换热器原理与设计课程英文名称：HeatExchangerPrincipalandDeign课程编号：021060230适用专业：新能源科学与工程学时数：总学时32，其中：理论28，实验4学分数：2课程类别：专业课程应开课学期：第五学期实验/实践一：换热器综合实验实验/实践类型：专业实验/实践学时：2实验/实践要求：必做一、实验/实践目的1．熟悉换热器性能测试方法，了解影响换热器性能的影响因素；2．掌握间壁式换热器传热系数测定方法；3．了解套管式换热器、板式换热器等结构特点机器性能差别；4．加深对于顺流和逆流两种换热方式换热能力的差别；5．熟悉流体流速、流量、压力等参数的测量技术。二、实验/实践内容1.通过测量冷热流体的流量、进出口温度计算换热器的换热量，进而计算换热器的传热系数；2.另外结合换热器的结构数据，计算冷热流体与管壁的表面传热对流换热系数，进而比较三个环节的热阻相对大小。三、仪器设备本实验主要对应用较广的三种换热器进行实验：套管式换热器、板式换热器和列管式换热器。实验装置如图1所示。采用冷水可用阀门换向进行顺逆流实验。换热形式为热水—冷水换热式。实验中所需的仪器设备如下：1、换热器几何尺寸（1）套管式换热器 换热面积0.22m2外管：外径25mm，壁厚2mm铜管,中间管外径12mm，壁厚1mm铜管，长80㎝，8组并列（2）板式换热器 换热面积0.40m2（3）列管式换热器 换热面积0.51m2外壳外径110mm，壁厚2mm不锈钢，中间管子外径16mm，壁厚1mm不锈钢管,

长84㎝,2条(4根管两次折流，即3个管程)2、电加热总功率9.0kW3、冷、热水泵允许工作温度：<80℃额定流量：3m3/h扬程：12m电机电压：220V电机功率：370W4、转子流量计型号型号：LZB-15流量：40~400l/h允许温度范围：0~120℃图1实验装置简图1.热水流量调节阀2.热水板式、套管、列管启闭阀门组3.冷水流量计4.换热器进口压力表5.数显温度计6.琴键转换开关7.电压表8.电流表9.冷水出口压力表10.开关组11.冷水板式、套管、列管启闭阀门组12.顺逆流转换阀门组13.冷水流量调节阀四、实验/实践原理、方法、手段和步骤一、实验原理1．体壁面由热流体传递给冷流体。实验原理如图2所示。图2换热器综合实验台原理图1.冷水泵2.冷水箱3.冷水浮子流量计4.冷水顺逆流换向阀门组5.列管式换热器6.套管式换热器7.电加热水箱8.热水浮子流量计9.回水箱10.热水泵11.板式换热器通过测量冷热流体的流量，进出口温度，可以由式（1）~（3）计算换热器的换热量，由式（5）计算换热器的温差，因此可以计算出换热器的传热系数（6），换热器的传热系数综合反映了传热过程的难易程度，表示单位传热温差传热面积下传热过程所传递的热量。另外结合换热器的结构数据，由式（7）~（8）计算冷热流体与管壁的表面传热对流换热系数，进而比较三个环节的热阻相对大小。热流体放热量 (1)冷流体吸热量 (2)平均换热量 (3)热平衡误差 (4)换热器温差 (5)传热系数 (6)内部流动对流换热 (7)外部流动对流换热 (8)其中C、n、m值可以查课本。二、实验预习要求：1、温度计压力表的读数与精度2、系统充水量与水泵运行的注意事项3、实验的数据预期与读取4、各种形式换热器的主要特征及优缺点5、传热过程各个热阻相对大小及影响因素三、实验条件：（1）熟悉实验装置及使用仪表的工作原理和性能；（2）打开所要实验的换热器阀门，关闭其它阀门；（3）按顺流（或逆流）方式调整冷水换向阀门的开或关；（4）向冷—热水箱充水，禁止水泵无水运行(热水泵启动，加热才能供电)。四、实验方法与步骤：（1）接通电源，启动热水泵（为了提高热水温升速度，可先不启动冷水泵），并调整好合适的流量；（2）调整温控仪，使其能使加热水温控制在80℃以下的某一指定温度；（3）将加热器开关分别打开（热水泵开关与加热开关已进行连锁，热水泵启动，加热才能供电）；（4）利用数显温度计和温度测点选择琴键开关按钮，观测和检查换热器冷—热流体的进出口温度。待冷—热流体的温度基本稳定后，既可测出相应测温点的温度数值，同时可以读出转子流量计冷—热流体的流量读数，把这些测试结果记录到实验数据记录表中；（5）如需要改变流动方向（顺，逆流）的实验，或需要绘制换热器传热性能曲线而要求改变工况（如需要改变冷热水流速或流量）进行试验，或需要重复进行试验时，都要重新安排实验，并记录下实验测试数据；（6）实验结束后，首先关闭电加热器开关，5分钟后切断全部电源。五、实验/实践结果处理1.数据计算热流体放热量：冷流体吸热量：平均换热量：热平衡误差：对数平均温差：传热系数：式中：，热、冷流体的质量流量；，热、冷流体的定压比热；，热流体的进、出口温度；，冷流体的进、出口温度；换热面积；，进出口温度端差的最大值和最小值。注：冷热流体的质量流量，是根据修正后的流量计体积流量折算成的质量流量。2.绘制传热性能曲线，并进行比较（1）以传热系数为纵坐标，冷水（冷水）流速（或质量）为横坐标绘制传热性能曲线；（2）对顺流和逆流换热性能进行比较；（3）对三种不同型式的换热器性能进行比较。六、实验/实践注意事项1．实验一般不允许学生请假，确因特殊情况需要请假，须事先经指导教师和主管教学院长批准；2．实验期间，不得迟到、早退，有事必须向指导教师请假，不得擅自离队。必须服从指挥、注意听讲、认真参观、多加思考、记好笔记；3．严格遵守组织纪律，禁止进入受限空间，遵守纪律，注意安全，未经实验室老师的许可，不得乱动任何设备。七、预习与思考题1、冷热水箱温度不恒定对实验结果有何影响？2、怎样按测得的数据，计算流体与固体壁面间的对流换热系数？3、实验中为什么可以不考虑辐射换热？4、变工况后马上记录测点数据对实验有影响吗，为什么？5、怎样由传热性能曲线，比较三种换热器的性能？6、根据实验结果说明为什么工程上可以忽略换热器中间壁的导热热阻？附：实验数据记录表 换热器名称环境温度℃顺逆流热流体冷流体进口温度℃出口温度℃流量计数l/h进口温度℃出口温度℃流量计数l/h顺流逆流实验/实践二：套管换热器传热实验实验/实践类型：专业实验/实践学时：2实验/实践要求：必做一、实验/实践目的通过本实验的学习，使学生了解套管换热器的结构和操作方法，比较简单内管与强化内管的差异。二、实验/实践内容1、测定空气与水蒸汽经套管换热器间壁传热时的总传热系数。2、测定空气在圆形光滑管中作湍流流动时的对流传热准数关联式。3、测定空气在插入螺旋线圈的强化管中作湍流流动时的对流传热准数关联式。4、通过对本换热器的实验研究，掌握对流传热系数的测定方法。三、仪器设备实验装置见下图1-液位计；2-储水罐；3-排水阀；4-蒸汽发生器；5-强化套管蒸汽进口阀；6-光滑套管蒸汽进口阀；7-光滑套管换热器；8-内插有螺旋线圈的强化套管换热器；9-光滑套管蒸汽出口；10-强化套管蒸汽出口；11-光滑套管空气进口阀；12-强化套管空气进口阀；13-孔板流量计；14-空气旁路调节阀；15-旋涡气泵；16-蒸汽冷凝器以饱和蒸汽为加热介质，加热空气。饱和蒸汽走套管壳程，空气走管程。空气由旋涡气泵提供，由孔板流量计计量其流量。套管规格：内管；外管；换热长度为1.20m。四、实验/实践原理、方法、手段和步骤1、实验前的准备,检查工作（1）向水箱中加水至液位计上端。（2）检查空气流量旁路调节阀是否全开。（3）检查蒸气管支路各控制阀和空气支路控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管线的畅通。（4）接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。2、实验开始（1）打开加热开关一段时间后,蒸汽发生器内的水经过加热后产生水蒸汽，并经过空气冷却器冷凝后回到储水槽中。（2）换热器壳内有水蒸气后，打开旁路调节阀，启动风机，调节阀一般开到最大。（3）调节空气流量旁路调节阀的开度,使压差计的读数为所需的空气流量值(当旁路阀全开时,通过传热管的空气流量为所需的最小值,全关时为最大值)。（4）稳定3～5分钟左右后，分别测量空气的流量，空气进、出口温度和管壁温度。(注意：第1个数据点必须稳定足够的时间；温度巡检仪测量的温度1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空气出口温度；3-强化管空气入口温度；4-强化管空气出口温度；上-光滑管壁面温度；下-强化管壁面温度)（5）重复(3)与(4)共做7～10个空气流量值。（6）最小、最大流量值一定要做。五、实验/实践结果处理两流体间壁传热时的传热速率方程为（1）式中，传热速率可由管内、外任一侧流体热焓值的变化来计算，空气流量由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成的空气流量计来测定。流量大小按下式计算：（2）其中：—孔板流量计孔流系数，0.65；—孔的面积，；（可由孔径计算，孔径）—孔板两端压差，；—空气入口温度（即流量计处温度）下的密度，。实验条件下的空气流量（）需按下式计算：（3）其中：—换热管内平均温度，℃；—传热内管空气进口（即流量计处）温度，℃。测量空气进出套管换热器的温度(℃)均由铂电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。管外壁面平均温度(℃)由数字温度计测出，热电偶为铜─康铜。换热器传热面积由实验装置确定，可由（1）式计算总传热系数。流体无相变强制湍流经圆形直管与管壁稳定对流传热时，对流传热准数关联式的函数关系为：（4）对于空气，在实验范围内，准数基本上为一常数；当管长与管径的比值大于50时，其值对准数的影响很小，故准数仅为准数的函数，因此上述函数关系一般可以处理成：（5）式中，和为待定常数。由下式可以计算空气与管壁的对流传热系数：（6）式中，—空气进出口温度的平均值，℃；—管外壁面平均温度，℃。然后计算，（7）调节不同的空气流量，可以获得多组—数据。将数据绘制在双对数坐标中，则函数关系式变为：（8）确定该直线的斜率和截距，即可求出待定常数和的值。确定空气在强化管内和普通圆形光滑管内换热的对流传热准数关联式的原理和方法相同，不过，在类同条件下待定常数数值不同。六、实验/实践注意事项1．实验一般不允许学生请假，确因特殊情况需要请假，须事先经指导教师和主管教学院长批准；2．实验期间，不得迟到、早退，有事必须向指导教师请假，不得擅自离队。必须服从指挥、注意听讲、认真参观、多加思考、记好