实验四 总传热实验

四、实验装置及流程
实验装置设有逆流和并流（报告上应标明流向）两种流程，通过换向阀 门改变冷水的流向，进而测得两流体逆流或并流流动时的总传热系数。
四、实验装置及流程
2．主要设备仪表规格 套管换热器：内管为紫铜管，管径do=6mm；换热管长度 l=1.075m； 测温装置：Cu50型铜电阻配以数字温度显示仪；意义： 电阻50欧姆 热水发生器：219×6mm，材质为不锈钢；加热器功率： 1kW，由智能程序控温仪控制并显示其中温度； 流量计：LZB—15转子流量计，范围：0~160L/h； LZB—25转子流量计，范围：0~400L/h。 3.测量参数 1）Wh，Wc，流量——转子流量计 2）温度——铜电阻（过程温度变化小，需要测量精度高 的仪器，若精度低可能测不出温差） 3）特征尺寸d,l——设备名牌标出
间壁式换热器的类型和结构 型式 列管式换热器
间壁式换热器的类型和结构 型式 列管式换热器
间壁式换热器的类型和结构 型式 列管式换热器 工业上使用最广泛的一种换热设备 优点：单位体积的传热面积、处理能力和操作弹性大，适应 能力强，尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。 固定管板式换热器
结构：管束与焊接在壳体的两端管板连接。在壳体内，沿管 长方向装置有若干块折流挡板； 优点：结构简单、紧凑、造价便宜； 缺点：管外不能机械清洗，管板、管子和壳体都是刚性连接， 当管壁和壳壁的温度相差较大时，会产生很大的热应力，甚 至将管子从管板上拉脱。解决方法补偿圈(或称膨胀节)。
螺旋板式换热 器
螺旋板式换热器的特 点
在用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部连接管通入夹套内，冷凝 水由下部连接管排出，当冷却时，冷却水从下部进入，而由 上部流出。 为提高器内物料一侧的给热系数，可在器内设置搅拌器，使 容器内的流体作强制对流。
间壁式换热器的类型和结构型式 浸没式蛇管换热器
结构：由肘管连接的直管，或由盘 成螺旋状的弯管所组成。蛇管形状 主要决定于容器形状。将蛇管浸没 于容器中，即构成蛇管式换热器。
其他类型的换热 器
板式换热器：
其他类型的换热 器
板式换热器：
1.固定压紧板 2.夹紧螺栓 3.前端板 4.换热板片 5.密封垫片 6.后端板 7.下导板 8.后支柱 9.活动压紧板 10.上导板
板式换热器
结构紧凑，占用空间小 很小的空间即可提供较大的换热面积， 不需另外的拆装空间；相同使用环境下，其占地面积和重量是其 他类型换热器的1/3～1/5。 传热系数高 雷诺准数>10时，即可产生剧烈湍流，一般总传热系 数可高达3000～8000W/M2.K。 端部温差小 逆流换热，可达到1℃的端部温差。 热损失小 只有板片边缘暴露，不需保温，热效率≥98%。 适应性好，易调整 通过改变板片数目和组合方式即可调节换热能 力，与变化的热负荷相匹配。 流体滞留量小，对变化反应迅速，拆装简单，容易维护 板片是独 立的单元体，拆装简单，可将密封垫密闭的板片拆开、清洗。 结垢倾向低 高度紊流、光滑板表面，使积垢机率很小，且具自清 洁功能，不易堵塞。 低成本 使用一次冲压成型的波纹板片装配而成，金属耗量低，当 使用耐蚀材料时，投资成本明显低于其他的换热器。
间壁式换热器的类型和结构 型式
浮头式换热器
结构：一块管板与壳体固定，另一块管板可以在壳体内来回 活动，并连接一浮头，当管束受热受冷时即可自由伸缩。浮 头式换热器各有一个内浮头和一个外浮头。 优点：有良好的热补偿性能，管束可从壳体中拔出清洗； 缺点：结构复杂，造价较高。 我国已有标准化的列管式换热器系列产品供选用。例如：型 号为FB800-180-16-4换热器，FB表示浮头式B型，25×2.5mm 换热管，正方形排列，壳体公称直径800mm，公称传热面积 180m2，公称压力16kgf/cm2，管程数为4。
一、基本原理
• tm为换热器两端温度差的对数平均值，即
一、基本原理
冷、热流体的初、终温各自相同时，逆流的tm较并流时的 tm大，推动力：逆流>并流，逆流时冷热流体用量少。
tm t 2 t1 ln t2 t1
t 2 t1
当
时，可以用算术平均温度差( )代替对 2 数平均温度差。由上式所计算出口的传热系数K为测量值 K测。（t中较大的为t2，较小t1）
列管换热器的选用和设计的 步骤 (1) 确定流动路径，由传热任务计算Q，确定流体进、出口温 度，选定换热器形式，计算定性温度，查取流体物性， 计算平均温差，根据 0.8 的原则，确定壳程数。 (2) 依据K的经验值，或按生产实际情况选定K估 ，由传热基 本方程估算A估。参照系列标准选定换热器的基本尺寸， 如管径、管长、管数及管子的排列等；若是选用，可在 系列标准中选择适当的换热器型号。 (3) 根据初选的设备规格，计算管、壳程流体的流速和压降， 检查是否合理或满足工艺要求，若不符合，需调整流速， 再确定管程数或折流挡板间距，或选择另一规格的设备， 重新计算压力降直至满足要求为止。 (4) 计算管、壳程的 h1 和 h2，确定 Rs1 和 Rs2, 计算 K计，A计， 比较 A估 和 A计，若 A估/A计=1.15～1.25，则初选的设备合 适，否则需另设 K估 值，重复以上步骤。
喷淋式换热器的最大优点是便于检修和清洗，对冷却水水质 可以适当降低。
间壁式换热器的类型和结构 型式
套管式换热器
间壁式换热器的类型和结构 型式 套管式换热器
间壁式换热器的类型和结构 型式 套管式换热器
螺旋套管换热器
结构：直径不同的金属管装配成的同心套管。可根据换热要 求串联使用。程数可依传热面积的大小而增减，并可数排并 列。冷、热流体一般呈逆流流动，平均传热温差大，并可达 到较高的流速，形成湍流，具有较高的传热系数。 优点：构简单，能承受较高压力，应用灵活； 缺点：耗材多，占地面积大，难以构成很大的传热面积，故 一般适合于流体流量不大、传热负荷较小的场合。
0
i
• K主要决定于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器 的类型。
四、实验装置及流程
• 本实验装置为一套管换热器，采用冷水—热水系统，流程 如图4-4所示。
3
4 5 6 7 8 2 11 9 1 10
1．调节阀 2．转子流量计 3．铜电阻 4．换向阀 5．套管换热器 6．仪表箱 7．温度显示仪 8．转子流量计 9．热水罐 10．管道泵 11排气阀
换热器
按传热特征分：
间壁式：冷、热流体由固体间壁隔开，传热面积固定，热量 传递为-导热-对流的串联过程。
混合式：通过冷、热两流体的直接混合来进行热量交换。
蓄热式 (蓄热器)：由热容量较大的蓄热室构成，使冷、热流 体交替通过换热器的同一蓄热室。
按用途分：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。
按结构分：夹套式、浸没式、喷淋式、套管式和管壳式等。
间壁式换热器的类型和结构 型式 U 型管式换热器
结构：管子弯制成U型，U型管的两头固定在同一块管板上， 与管板连接的封头内用隔板隔成两室。 优点：管子受热受冷可以自由伸缩，而与壳体无关。结构比 较简单，管束可以拔出清洗。
缺点：管内的机械清洗困难，只能走清洁流体。
间壁式换热器的类型和结构 型式 U 型管式换热器
五、实验步骤
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• 5.待冷、热水温度稳定后，记录冷、热水的进出口温 度。（传热平衡，稳定后计录数据，实验存在热损 失，Q=WhCph（T1－T2）=WcCpc（t2－t1）＋Q损， 当Q热 —Q冷 <20%可视为稳定。） • 6.调节冷水阀，改变冷水流量，（冷水流量不要太小， 若太小，冷热流体文差大，一般从80L/h开始）测取 6个数据。注意，每次流量改变后，须有一定的稳定 时间，待有关参数都稳定后，再记录数据。 • 7.把换向阀门组调配为并流，调节冷水阀，改变冷水 流量，待温度稳定后记录有关参数。 • 8.实验结束后，关闭调节阀门，关闭热水泵的电源开 关并关闭冷水离心泵出口阀及离心泵，最后关闭总 电源。
板式换热器
缺点：处理能力不大，操作压力比较低，一般不超过20atm，受垫 片耐热性的限制，操作温度不能太高，一般合成橡胶垫不超过 130℃，压缩石棉垫圈也不超过250℃。
螺旋板式换热 器
螺旋板式换热器由两块金属薄板焊接在一块分隔板上并卷制 成螺旋状而构成的。卷制后，在器内形成两条相互隔开的螺 旋形通道，在顶、底部分则焊有封头和两流体进出口接管。 其中有一对进出口接管是设在园周边上，而另一对进出口则 设在园鼓的轴心上。换热时，冷、热流体分别进入两条通道， 在器内作严格的逆流流动。
实验四
总传热系数的测定
一、基本原理 在工业生产中，要完成加热或冷却任务，一般是通过换 热器来实现的，即换热器必须在单位时间内完成传送一定 的热量以满足工艺要求。换热器性能指标之一是传热系数 K。通过对这一指标的实际测定，可对换热器操作、选用 、及改进提供依据。
一、基本原理
• 传热系数K值的测定可根据热量恒算式及传热速率方程式 联立求解。 • 传热速率方程式 • Q=K S tm → K = Q /S tm • 对于整个换热器，其热量的衡算式为 • Q = wh(Hh1-Hh2) = wc(Hc1-Hc2)＋Q损 • 如果换热器中的流体均无相变，且流体的比热容不随流体 温度变化而为常数时， • 即 Q=WhCph（T1－T2）=WcCpc（t2－t1）＋Q损 • 若实验设备保温良好，Q损可忽略不计，所以 • Q=WhCph（T1－T2）=WcCpc（t2－t1） • S——传热面积（这里基于外表面积）， m2；
t1
t2
2
•
一、基本原理
• 传热系数的计算值K计可用下式进行计算： • 两流体通过管壁的传热包括：
一、基本原理
• 当壁厚一样时，di=d0=dm
K计 1 1 1
0
i


RS
• 当管壁和垢层的热阻可以忽略不计时，上式可简化成：
K 理计 1 1 1
i 0 i 0
选取换热器时，应根据工艺要求选用合适的类型，还应按传 热基本原理选定合理的换热流程，确定换热器的传热面积、 结构尺寸以及校核流体阻力等。 对系列化标准换热器，需通过必要的计算 (A，p) 来选用。
间壁式换热器的类型和结构型式
夹套式换热器 主要用于反应器的加热或冷却，将反 应器的筒体制成夹套，将加热剂或冷 却剂通入夹套内，通过夹套的间壁与 反应器内的物料进行换热。
螺旋板式换热 器
按流道布置和封头形式可分为： I 型结构：两个螺旋通道两侧完全焊接封闭，不可拆。两流体均 作螺旋运动，通常冷流体由外周流入，热流体从中心流入，形成 完全逆流流动。主要用于液体与液体之间的传热。 II 型结构：一个螺旋通道焊接封闭，另一通道的两侧敞开。一流 体作螺旋形流动，另一流体则作轴向流动。适合于两流体的流量 相差很大的场合。常做蒸汽冷凝器、气体冷却器使用。 III 型结构：一流体作螺旋形流动，另一流体则是轴向流动和螺旋 流动的组合，适用于蒸汽的冷凝和冷却。
当管内通入液体载热体时，应从蛇管的下部通入，当管内通 入蒸汽加热时，应从蛇管的顶部通入，冷凝水经蛇管下部的 疏水器排出。 优点：结构简单，能承受高压； 缺点：管外流体给热系数小，为强化传热，可在器内安装搅 拌器。
间壁式换热器的类型和结构 型式
喷淋式蛇管换热器
通常用作冷却器。将蛇管成排地固定在钢架上，被冷却流体 在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置通过齿型堰板均匀 喷洒在蛇管表面而流下，最后收集于排管的底盘内。
五、实验步骤
• 1.熟悉流程、管线，检查各阀门的开启位置，熟 悉各阀门的作用。 • 流程：确定逆流并流，谁走管内谁走管外。（冷 水走管内，热水走管外。为什么这样安排？） • 2.将热水发生器水位约维持在其高度的2/3，把换 向阀门组调配为逆流。 • 3.打开总电源开关，通过智能程序控温仪设定加 热器温度，通电加热并启动管道泵，开启热水调 节阀调节热水流量为定值。（加热温度应控制在 40º C） • 4.当热水发生器温度接近设定值时开启冷水离心 泵和出口阀，调节冷水阀使冷水流量为定值。实 验过程中注意开启冷水槽上水阀勿使槽内水位下 降太多。