热交换器原理与设计第6章-热交换器的试验与研究

其他方法
1) 瞬态法
威尔逊图解法要求凭经验预先确定反映放热规律的数学 模型 ，这一定程度上影响了结果的正确性。瞬态法同 样不需要测量壁温，也不必预先确定反映放热规律的数 学模型，要求在非热稳定下进行。原理如下：
在流体流入热交换器传热面时，对流体突然进行加热 (或冷却)。流体进口温度将按某种规律变化，流体的出 口温度也相应发生变化。流体出口温度的瞬时变化是流 体进口温度和流体与该传热面之间的传热单元数NTU的 单值函数。通过建立热交换的微分方程组，由分析解或 数值解可预先求得流体的出口温度与时间 τ 及传热单元 数NTU间函数关系tf,2 (τ, NTU)。
Ro 或Ri
1 - R’ Ko
2）威尔逊(E.E.Wilson)图解法
—拟合曲线分离法
1 Ko
1 αo

Rw

Rs

1 αi
Fo Fi
一般管内流动是处于湍流状态，αi 与流速 w0.8
成正比，可写成 αi = ci·w0.8 ，代入上式：
1 Ko

1 αo
Rw
Rs

ci
1 w 0.8
☆根据计算或测试求得的Δp，再由下式确定所需要的
泵或风机的功率N：
N=VΔp /(1000 η)，
kW (6.18)
V—体积流量，m3/s；Δp—总阻力，N/m2；η —泵或风机效率
图6.7 Δp=f(w)曲线
图6.8 Eu=f(Re)曲线
6.3 传热强化及结垢与腐蚀
6.3.1 增强传热的基本途径 根据 Q=KFΔt 可见，传热量 Q 的增加可以 通过提高传热系数 K、扩展传热面积 F、 加大传热温差 Δt的途径来实现。
图6.12 腐蚀率-时间曲线图
☆腐蚀类型
溶解氧腐蚀；电偶腐蚀；缝隙腐蚀；点腐蚀；应力 腐蚀开裂(SCC)；磨损腐蚀；氢危害；微生物腐蚀
☆腐蚀测试
金属遭受腐蚀后，其重量、厚度、机械性能、组织
结构等都会发生变化。常用深度表示腐蚀率。
金属腐蚀的深度表示法是用单位时间 (通常以年计)
的腐蚀深度来表示腐蚀率，我国常用单位mm/yr。
凡δ>5%的点，应予舍弃。
图6.3 K=f(w)曲线
3) 传热面积：计算传热系数时，有以哪一种表 面积为基准的问题，在整理试验数据时同样 应注意这一问题。
4) 为较直观地表示热交换器的传热性能，通常 要用曲线或图表示传热系数K与流体流速w 之间的关系。并且，常常选取流速w=1m/s时 的K值作为比较不同型式热交换器传热性能 的标准(同时，还应比较它们的阻力降ΔP)
5) 为使试验结果清晰明了和便于分析，可将测 得的数据和整理结果列成表格。
实验数据记录
热流体
冷流体
顺 换热 逆 器名 进口 出口 流量计 进口 出口 流量计 流 称 温度 温度 读数 温度 温度 读数
t1 /℃ t2/℃ V1/l·h-1 t1/℃ t2/℃ V1/l·h-1
顺 流
逆 流
6.1.2 对流换热系数的测定
由于NTU未知，所以，要将实验测得的流体 出口温度随时间的变化与计算所得的曲线簇
tf, 2 (τ, NTU)进行配比。通过配比，与实测值 最相吻合的那条流体出口温度的理论曲线的
NTU值，就是该传热面在测定工况下的NTU 值。此处NTU定义为NTU=αF/(mf cp ) (mf — 质量流率，cp—流体定压比热)，因而可求得 平均对流换热系数α。
i
Fo Fi
1 定数 1 Fo 1
Ko
ci
Fi
w 0.8 i
上式右边前3项可认为是常数，用 a 表示，物性
不变情况下，可认为 1 Fo 是常数，用 b 表示，
ci Fi
于是上式变为： 1 a b 1
Ko
w 0.8 i
改变管内流速 wi，则可测得一系列总
传热系数，绘制成图，则是一条直线。
增长率大n2倍。可见，提高α2对增强传热更为 有效。亦即，应该使对流换热系数小的那一项 增大，才能更有效地增加传热系数。
☆翅片管能加强传热就是针对对流换热系数小的 一侧加翅片，通过以薄翅片方式来增加传热面， 也就相当于使这一侧的对流换热系数增加， 从而提高以光管表面积为基准的传热系数。
6.3.2 增强传热的方法
9水泵；15、16、17、18 温度测点；20 电加热器
实验步骤
1) 了解试验系统、操作方法及测量仪表使用方法。 2) 接通热水箱电加热器的电源，将水加热到预定温度。 3) 启动冷、热水泵。 4) 根据预定的试验要求，分别调节冷、热水流量达
到预定值，然后维持在此工况下运行。 5) 当冷、热水的进、出口温度均达稳定时，测量并
由
b 1 Fo ci Fi
→
ci

1 b
Fo Fi
从而，得到管内的对流换热系数 αi：
αi

ci
w 0.8 i
3) 修正的威尔逊图解法
由《传热学》，湍流时管内流体的对流换热准则式为：
Nu1 c1Re10.8 Pr21/3(μ1/μw1 )0.14
(6.8)
假设套管环隙流体的对流换热准则关系式为：
6.3.3 热交换器的结垢与腐蚀
☆结垢—影响流源自文库与传热；腐蚀—影响热交 换器使用寿命。
1) 污垢类型
结晶型污垢；沉积型污垢； 生物型污垢；其他
2) 污垢热阻 污垢热阻rs或污垢系数hs: rs=δs /λs=1/hs m2·℃/W
＊单位面积上沉积量m，垢阻rs、 垢密度ρs、垢的导热系数λs 及沉积厚度δs 之间有以下关系：

Δt ln
Δt Δt

Δt Δt ln Δt
Δt
Δt
传热系数： K = Q /(F Δtm )
图6.1 水—水管套式热交换器实验系统
1 电热水箱；2 水泵；3、11、12、13、14、19 阀门； 4、10 流量计；5 内管；6 套管；7 保温套；8 冷水箱；
由于扩展传热面积及加大传热温差常受到一 定条件限制，这里探讨如何提高传热系数。
1) 改变流体的流动情况 2) 改变流体的物性 3) 改变换热表面情况
增强传热按是否消耗外界能量分为两类： ＊被动式，即不需要直接使用外界动力，
如加插入物、增加表面粗糙度等； ＊主动式，如外加静电场、机械方法使传
热表面振动等。这些技术可单独使用， 也可同时采用的称为复合式强化。
4
0.01~0.05
6.2 阻力特性试验
热交换器性能好坏，不仅表现在传热性能上， 而且表现在它的阻力性能上。
应对热交换器进行阻力特性试验，一方面测定 流体流经热交换器的压降，以比较不同热交换 器的阻力特性，并寻求减小压降的改进措施； 另一方面为选择泵或风机的容量提供依据。
☆流动阻力通常为2.4节所述的摩擦阻力Δpi 和局部阻力Δp1
该式相当于一个直线方程：y=a+bx，截距
a=1/c2 及斜率b=1/c1可通过线性回归求得。 式中的每一个试验点的值相应为：
x1

Re2m,i2
B2,i
/μ 0.14 w2, i
Re10,.i8
B1,i
/μ 0.14 w1, i
y1


1 Ki
- rw
-
rs

Re2m,i2
B2,i
/μ 0.14 w2, i
以深度表示的腐蚀率可按下式计算：
K1=(m1 – m2 )×24×365×10-3/(Aτρ)
=Km ×24×365×10-3/ρ，
mm/yr
m1、m2—腐蚀前后挂片质量，g；A—挂片表面积，m2；
τ—挂片试验的时间，h；ρ—挂片密度，g/cm3，对钢，
ρ≈7.8 g/cm3；Km—以失重表示的腐蚀率，g/(m2·h)。
记录冷、热水流量及各项温度值。 6) 改变冷水(或热水)流量若干次，即改变运行工况，
再进行5的测量。 7) 如需要，调节加热功率，将水加热到另一预定温度，
重复4～6步骤。 8) 试验中如有必要，可以改变任一侧流体的流向，
重复5、6两步骤。 9) 试验完毕依次关闭电加热器、热水泵及冷水泵等。
试验数据的整理
1) 传热量Q：由于种种原 因，试验测试的冷流体吸 热量不会完全等于热流体 的放热量，可以它们的算 术平均值，Q=(Q1+Q2 )/2 作为实际的传热量。
2) 数据点选取：试验过程 误差总是避免不了。为保 证结果的正确性，在数据 整理时应舍取一些不合理 的点。通常，工程上以热 平衡的相对误差：
δ=|Q1-Q2|/[(Q1+Q2 )/2] ≤5%
4) 腐蚀的防止
＊加添加剂 ＊电化学保护 ＊采用耐腐蚀材料
或涂(镀)层 ＊改进结构设计 ＊控制运行工况 ＊热交换器的清洗
表6.1 均匀腐蚀的十级标准
耐腐蚀性 分类
Ⅰ 完全耐蚀 Ⅱ 很耐蚀
Ⅲ耐 蚀
Ⅳ 尚耐蚀
Ⅴ 欠耐蚀 Ⅵ 不耐蚀
耐蚀性 腐蚀速度，
等级
mm/yr
1
<0.001
2 0.001~0.005 3 0.005~0.01
2) 热质类比法
原理：先将萘在模型中浇铸成型，再按实际的热 交换器结构组合成试件。让与试件温度相同、不 含萘的空气流过试件，由于萘的升华作用，构成 传热面的萘片重量和厚度都将发生变化。
通过测定试验前后萘片的重量及沿萘片表面各处 的厚度变化、气流温度、试验持续时间及空气流 量等，计算出萘与空气的总质量交换率及局部质 量交换率，再根据热质交换的类比关系即可求得 平均及局部的对流热交换系数。
1 Ki

1 c1 Re10,.i8 B1,i /μw0.11,4i

rw

rs

1 c2 Re2m,i2 B2,i /μw0.21,4i
再将它改写为：

1 Ki
- rw
- rs Re2m,i2 B2,i /μw0.21,4i

1 c2
1 c1
Re2m,i2 B2,i /μw0.21,4i Re10,.i8 B1,i /μw0.11,4i
对常规定型结构的换热器：
Nu C
Re
n f
Pr fm
Nu = α l /λ
Re = w l /v
对新型结构，或已知壁温；或要求壁温的场合
Q = α (tw – tf )F
1）估算分离法
1 Ko

Ro

Rw
Rs
Ri
如，采用水蒸汽管外冷凝 αo一定。 则：Ro + Rw + Rs = R’ 待测定：
1) 扩展传热面积 F 2) 加大传热温差 Δt 3) 提高传热系数 K 增强传热的积极措施是提高传热系数。要改变 传热系数就必须分析传热过程的每一项热阻。
K


1 α1
1 α2
1

α1α2 α1 α2

α1 α1 α2
α2

α2 α1 α2
α1
可见，K值比α1和α2值都要小。那么加大传热 系数时，应加大哪一侧的换热系数更为有效？
6 热交换器的试验与研究
6.1 传热特性试验
6.1.1 传热系数的测定
在换热器上进行冷、热水的顺、逆流实验， 测得不同温度、流量，再进行换热计算。
热流体放热量：Q1 =cp1·m1·(t1′ – t1″)
冷流体吸热量：Q2 =cp2·m2·(t2″ – t2′)

对数平均温差 Δtm： Δtm
Nu2 c2 Re2m2 Pr21/3(μ2/μw2 )0.14
(6.9)
将上两式改写成： α1 c1Re10.8B1/μw0.114
(6.10)
α2 c2 Re2m2 B2/μw0.214
(6.11)
采用平均面积计算传热系数K：
1 K

1 α1
rw
rs
1 α2
(6.12)
以角码 i 表示试验点序号，将式 (6.10)、(6.11) 代入上式
Δpa=ρ2w22 – ρ1w22
(6.15)
☆非定温流情况下，还应考虑受热流体受迫运动在流道
下沉的浮升力的阻力。数值上它等于浮升力：
Δps=±g(ρo – ρ)h
(6.16)
下沉流动时，压力降为正；上升流动时，压力降为负。
☆因而上述情况下总的流动阻力为
Δp=Δpf +Δp1 +Δpa +Δps
(6.17)
m=ρs δs=ρs λs rs
图6.10 垢阻与时间关系
3) 腐蚀类型及腐蚀测试
由于所接触介质的作用使材料遭受损害、 性能恶化或破坏的过程称为腐蚀。
腐蚀产物会形成污垢；污垢也会引起 腐蚀，因此腐蚀与污垢的形成都不是 独立的过程，两者密切相关、相互影响。
腐蚀种类很多，影响因素也很多。热交 换器的材料、结构、参与热交换的流体 种类、成分、温度、流速等都影响腐蚀。
今将K对α1和α2分别求偏导。
K
' 1


K α1
α2

(α1
α
2 2
α2
)2
K
' 2


K α2
α1

(α1
α12 α2
)2
☆偏导数K1′及K2′分别表示了传热系数K随α1及α2 的增长率。如设α1>α2，则可写为 α1 =nα2，得：
K2′ = n2 K1′ ☆表明当 α1=nα2 时候，K值随α2增长率要比随α1