《換熱器原理與設(shè)計(jì)》課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

《換熱器原理與設(shè)計(jì)》課堂實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐指導(dǎo)書(shū)課程中文名稱(chēng)：換熱器原理與設(shè)計(jì)課程英文名稱(chēng)：HeatExchangerPrincipalandDeign課程編號(hào)：021060230適用專(zhuān)業(yè)：新能源科學(xué)與工程學(xué)時(shí)數(shù)：總學(xué)時(shí)32，其中：理論28，實(shí)驗(yàn)4學(xué)分?jǐn)?shù)：2課程類(lèi)別：專(zhuān)業(yè)課程應(yīng)開(kāi)課學(xué)期：第五學(xué)期實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐一：換熱器綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐類(lèi)型：專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐要求：必做一、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐目的1．熟悉換熱器性能測(cè)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(cè)定方法；3．了解套管式換熱器、板式換熱器等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)機(jī)器性能差別；4．加深對(duì)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(cè)量技術(shù)。二、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐內(nèi)容1.通過(guò)測(cè)量冷熱流體的流量、進(jìn)出口溫度計(jì)算換熱器的換熱量，進(jìn)而計(jì)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(jì)算冷熱流體與管壁的表面?zhèn)鳠釋?duì)流換熱系數(shù)，進(jìn)而比較三個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻相對(duì)大小。三、儀器設(shè)備本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)應(yīng)用較廣的三種換熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：套管式換熱器、板式換熱器和列管式換熱器。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。采用冷水可用閥門(mén)換向進(jìn)行順逆流實(shí)驗(yàn)。換熱形式為熱水—冷水換熱式。實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(zhǎng)84㎝,2條(4根管兩次折流，即3個(gè)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(yáng)程：12m電機(jī)電壓：220V電機(jī)功率：370W4、轉(zhuǎn)子流量計(jì)型號(hào)型號(hào)：LZB-15流量：40~400l/h允許溫度范圍：0~120℃圖1實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖1.熱水流量調(diào)節(jié)閥2.熱水板式、套管、列管啟閉閥門(mén)組3.冷水流量計(jì)4.換熱器進(jìn)口壓力表5.數(shù)顯溫度計(jì)6.琴鍵轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)7.電壓表8.電流表9.冷水出口壓力表10.開(kāi)關(guān)組11.冷水板式、套管、列管啟閉閥門(mén)組12.順逆流轉(zhuǎn)換閥門(mén)組13.冷水流量調(diào)節(jié)閥四、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐原理、方法、手段和步驟一、實(shí)驗(yàn)原理1．體壁面由熱流體傳遞給冷流體。實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。圖2換熱器綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖1.冷水泵2.冷水箱3.冷水浮子流量計(jì)4.冷水順逆流換向閥門(mén)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(jì)9.回水箱10.熱水泵11.板式換熱器通過(guò)測(cè)量冷熱流體的流量，進(jìn)出口溫度，可以由式（1）~（3）計(jì)算換熱器的換熱量，由式（5）計(jì)算換熱器的溫差，因此可以計(jì)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(guò)程的難易程度，表示單位傳熱溫差傳熱面積下傳熱過(guò)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(jì)算冷熱流體與管壁的表面?zhèn)鳠釋?duì)流換熱系數(shù)，進(jìn)而比較三個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻相對(duì)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(dòng)對(duì)流換熱 (7)外部流動(dòng)對(duì)流換熱 (8)其中C、n、m值可以查課本。二、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求：1、溫度計(jì)壓力表的讀數(shù)與精度2、系統(tǒng)充水量與水泵運(yùn)行的注意事項(xiàng)3、實(shí)驗(yàn)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(diǎn)5、傳熱過(guò)程各個(gè)熱阻相對(duì)大小及影響因素三、實(shí)驗(yàn)條件：（1）熟悉實(shí)驗(yàn)裝置及使用儀表的工作原理和性能；（2）打開(kāi)所要實(shí)驗(yàn)的換熱器閥門(mén)，關(guān)閉其它閥門(mén)；（3）按順流（或逆流）方式調(diào)整冷水換向閥門(mén)的開(kāi)或關(guān)；（4）向冷—熱水箱充水，禁止水泵無(wú)水運(yùn)行(熱水泵啟動(dòng)，加熱才能供電)。四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟：（1）接通電源，啟動(dòng)熱水泵（為了提高熱水溫升速度，可先不啟動(dòng)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(kāi)關(guān)分別打開(kāi)（熱水泵開(kāi)關(guān)與加熱開(kāi)關(guān)已進(jìn)行連鎖，熱水泵啟動(dòng)，加熱才能供電）；（4）利用數(shù)顯溫度計(jì)和溫度測(cè)點(diǎn)選擇琴鍵開(kāi)關(guān)按鈕，觀測(cè)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(cè)出相應(yīng)測(cè)溫點(diǎn)的溫度數(shù)值，同時(shí)可以讀出轉(zhuǎn)子流量計(jì)冷—熱流體的流量讀數(shù)，把這些測(cè)試結(jié)果記錄到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表中；（5）如需要改變流動(dòng)方向（順，逆流）的實(shí)驗(yàn)，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(yàn)，或需要重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，都要重新安排實(shí)驗(yàn)，并記錄下實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)；（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，首先關(guān)閉電加熱器開(kāi)關(guān)，5分鐘后切斷全部電源。五、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐結(jié)果處理1.數(shù)據(jù)計(jì)算熱流體放熱量：冷流體吸熱量：平均換熱量：熱平衡誤差：對(duì)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(jì)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(duì)順流和逆流換熱性能進(jìn)行比較；（3）對(duì)三種不同型式的換熱器性能進(jìn)行比較。六、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐注意事項(xiàng)1．實(shí)驗(yàn)一般不允許學(xué)生請(qǐng)假，確因特殊情況需要請(qǐng)假，須事先經(jīng)指導(dǎo)教師和主管教學(xué)院長(zhǎng)批準(zhǔn)；2．實(shí)驗(yàn)期間，不得遲到、早退，有事必須向指導(dǎo)教師請(qǐng)假，不得擅自離隊(duì)。必須服從指揮、注意聽(tīng)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(shí)驗(yàn)室老師的許可，不得亂動(dòng)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有何影響？2、怎樣按測(cè)得的數(shù)據(jù)，計(jì)算流體與固體壁面間的對(duì)流換熱系數(shù)？3、實(shí)驗(yàn)中為什么可以不考慮輻射換熱？4、變工況后馬上記錄測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表 換熱器名稱(chēng)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(jì)數(shù)l/h進(jìn)口溫度℃出口溫度℃流量計(jì)數(shù)l/h順流逆流實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐二：套管換熱器傳熱實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐類(lèi)型：專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐要求：必做一、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐目的通過(guò)本實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單內(nèi)管與強(qiáng)化內(nèi)管的差異。二、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐內(nèi)容1、測(cè)定空氣與水蒸汽經(jīng)套管換熱器間壁傳熱時(shí)的總傳熱系數(shù)。2、測(cè)定空氣在圓形光滑管中作湍流流動(dòng)時(shí)的對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。3、測(cè)定空氣在插入螺旋線圈的強(qiáng)化管中作湍流流動(dòng)時(shí)的對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。4、通過(guò)對(duì)本換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，掌握對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定方法。三、儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)下圖1-液位計(jì)；2-儲(chǔ)水罐；3-排水閥；4-蒸汽發(fā)生器；5-強(qiáng)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(qiáng)化套管換熱器；9-光滑套管蒸汽出口；10-強(qiáng)化套管蒸汽出口；11-光滑套管空氣進(jìn)口閥；12-強(qiáng)化套管空氣進(jìn)口閥；13-孔板流量計(jì)；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(jì)計(jì)量其流量。套管規(guī)格：內(nèi)管；外管；換熱長(zhǎng)度為1.20m。四、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐原理、方法、手段和步驟1、實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備,檢查工作（1）向水箱中加水至液位計(jì)上端。（2）檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥是否全開(kāi)。（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(kāi)，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(dòng)電加熱器開(kāi)關(guān)，開(kāi)始加熱。2、實(shí)驗(yàn)開(kāi)始（1）打開(kāi)加熱開(kāi)關(guān)一段時(shí)間后,蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水經(jīng)過(guò)加熱后產(chǎn)生水蒸汽，并經(jīng)過(guò)空氣冷卻器冷凝后回到儲(chǔ)水槽中。（2）換熱器殼內(nèi)有水蒸氣后，打開(kāi)旁路調(diào)節(jié)閥，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)閥一般開(kāi)到最大。（3）調(diào)節(jié)空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度,使壓差計(jì)的讀數(shù)為所需的空氣流量值(當(dāng)旁路閥全開(kāi)時(shí),通過(guò)傳熱管的空氣流量為所需的最小值,全關(guān)時(shí)為最大值)。（4）穩(wěn)定3～5分鐘左右后，分別測(cè)量空氣的流量，空氣進(jìn)、出口溫度和管壁溫度。(注意：第1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)必須穩(wěn)定足夠的時(shí)間；溫度巡檢儀測(cè)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(qiáng)化管空氣入口溫度；4-強(qiáng)化管空氣出口溫度；上-光滑管壁面溫度；下-強(qiáng)化管壁面溫度)（5）重復(fù)(3)與(4)共做7～10個(gè)空氣流量值。（6）最小、最大流量值一定要做。五、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐結(jié)果處理兩流體間壁傳熱時(shí)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(lái)計(jì)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(jì)來(lái)測(cè)定。流量大小按下式計(jì)算：（2）其中：—孔板流量計(jì)孔流系數(shù)，0.65；—孔的面積，；（可由孔徑計(jì)算，孔徑）—孔板兩端壓差，；—空氣入口溫度（即流量計(jì)處溫度）下的密度，。實(shí)驗(yàn)條件下的空氣流量（）需按下式計(jì)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(jì)處）溫度，℃。測(cè)量空氣進(jìn)出套管換熱器的溫度(℃)均由鉑電阻溫度計(jì)測(cè)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(jì)測(cè)出，熱電偶為銅─康銅。換熱器傳熱面積由實(shí)驗(yàn)裝置確定，可由（1）式計(jì)算總傳熱系數(shù)。流體無(wú)相變強(qiáng)制湍流經(jīng)圓形直管與管壁穩(wěn)定對(duì)流傳熱時(shí)，對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的函數(shù)關(guān)系為：（4）對(duì)于空氣，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，準(zhǔn)數(shù)基本上為一常數(shù)；當(dāng)管長(zhǎng)與管徑的比值大于50時(shí)，其值對(duì)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(jì)算空氣與管壁的對(duì)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(jì)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(duì)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(qiáng)化管內(nèi)和普通圓形光滑管內(nèi)換熱的對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的原理和方法相同，不過(guò)，在類(lèi)同條件下待定常數(shù)數(shù)值不同。六、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐注意事項(xiàng)1．實(shí)驗(yàn)一般不允許學(xué)生請(qǐng)假，確因特殊情況需要請(qǐng)假，須事先經(jīng)指導(dǎo)教師和主管教學(xué)院長(zhǎng)批準(zhǔn)；2．實(shí)驗(yàn)期間，不得遲到、早退，有事必須向指導(dǎo)教師請(qǐng)假，不得擅自離隊(duì)。必須服從指揮、注意聽(tīng)講、認(rèn)真參觀、多加思考、記好