热交换器原理与设计第6章 热交换器的试验与研究
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(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)
☆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)，
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。 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
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。
1 1 α1 α 2 α1 α2 K α α α α α α α 2 α α α1 2 1 2 1 2 1 2 1
1
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？ 今将K对α1和α2分别求偏导。
图6.10 垢阻与时间关系
m=ρs δs=ρs λs rs
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。
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 顺 逆 流 换热 器名 称
进口 出口 温度 温度 t1 /℃ t2/℃ 流量计 读数 V1/l· h-1 进口 温度 t1/℃
冷流体
出口 温度 t2/℃ 流量计 读数 V1/l· h-1
顺 流
逆 流
6.1.2 对流换热系数的测定
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 Δpa=ρ2w22 – ρ1w22
1 Fo b ci Fi 1 Fo ci b Fi
由
→
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： 0.8 Nu1 c1 Re1 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：
待测定：
1 Ro 或Ri - R’ Ko
2）威尔逊(E.E.Wilson)图解法
—拟合曲线分离法
1 1 1 Fo Rw Rs K o αo αi 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 1 1 Fo Rw Rs K o αo ci w i0.8 Fi
m2 Nu2 c2 Re2 Pr21/3 (μ2 /μw2 )0.14
0.14 将上两式改写成： α1 c1 Re10.8 B1 /μw1 m2 0.14 α 2 c2 Re2 B2 /μw2
(6.9) (6.10)
(6.11)
采用平均面积计算传热系数K：
1 1 1 rw rs K α1 α2
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：
平均对流换热系数α。
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。
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； 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 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。
对常规定型结构的换热器：
Nu C Re Pr
n f
m f
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 Ro Rw Rs Ri Ko
如，采用水蒸汽管外冷凝 αo一定。
则：Ro + Rw + Rs = R’
2 K α ' 2 K1 2 α ( α α ) 1 2 1 α2 2 K α 1 K '2 2 α ( α α ) 1 2 2 α1
☆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：
(6.12)
以角码 i 表示试验点序号，将式 (6.10)、(6.11) 代入上式
1 1 1 r r w s m2 0.8 0.14 0.14 K i c1 Re1, B / μ c Re B / μ i 1,i w1, i 2 2,i 2,i w2, i
再将它改写为：
m2 0.14 Re B / μ 1 m2 1 1 2,i 2,i w2, i 0.14 r r Re B / μ w s 2,i 2,i w2, i 0.8 0.14 K c c Re B / μ 2 1 1,i 1,i w1, i i
6.3.2 增强传热的方法
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。
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
6.3.3 热交换器的结垢与腐蚀
☆结垢—影响流动与传热；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：
1 1 Fo 1 定数 Ko ci Fi wi0.8
上式右边前3项可认为是常数，用 a 表示，物性 1 Fo 不变情况下，可认为 是常数，用 b 表示，
于是上式变为： 1 a b 1 0.8
Ko wi
c i Fi
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。
K2′ = n2 K1′ ☆表明当 α1=nα2 时候，K值随α2增长率要比随α1 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。
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)。
6 热ຫໍສະໝຸດ Baidu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： Δt Δt Δt Δt Δt m Δt Δt ln ln Δt Δt 传热系数： K = Q /(F Δtm )
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。 1) 扩展传热面积 F 2) 加大传热温差 Δt 3) 提高传热系数 K
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
m2 0.14 Re2, B / μ i 2,i w2, i 0.8 0.14 Re1, B / μ i 1,i w1, i
1 m2 0.14 y1 r r Re B / μ w s 2,i 2,i w2, i K i
δ=|Q1-Q2|/[(Q1+Q2 )/2] ≤5%
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)
☆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)
☆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)，
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。 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
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。
1 1 α1 α 2 α1 α2 K α α α α α α α 2 α α α1 2 1 2 1 2 1 2 1
1
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？ 今将K对α1和α2分别求偏导。
图6.10 垢阻与时间关系
m=ρs δs=ρs λs rs
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。
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 顺 逆 流 换热 器名 称
进口 出口 温度 温度 t1 /℃ t2/℃ 流量计 读数 V1/l· h-1 进口 温度 t1/℃
冷流体
出口 温度 t2/℃ 流量计 读数 V1/l· h-1
顺 流
逆 流
6.1.2 对流换热系数的测定
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 Δpa=ρ2w22 – ρ1w22
1 Fo b ci Fi 1 Fo ci b Fi
由
→
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： 0.8 Nu1 c1 Re1 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：
待测定：
1 Ro 或Ri - R’ Ko
2）威尔逊(E.E.Wilson)图解法
—拟合曲线分离法
1 1 1 Fo Rw Rs K o αo αi 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 1 1 Fo Rw Rs K o αo ci w i0.8 Fi
m2 Nu2 c2 Re2 Pr21/3 (μ2 /μw2 )0.14
0.14 将上两式改写成： α1 c1 Re10.8 B1 /μw1 m2 0.14 α 2 c2 Re2 B2 /μw2
(6.9) (6.10)
(6.11)
采用平均面积计算传热系数K：
1 1 1 rw rs K α1 α2
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：
平均对流换热系数α。
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。
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； 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 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。
对常规定型结构的换热器：
Nu C Re Pr
n f
m f
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 Ro Rw Rs Ri Ko
如，采用水蒸汽管外冷凝 αo一定。
则：Ro + Rw + Rs = R’
2 K α ' 2 K1 2 α ( α α ) 1 2 1 α2 2 K α 1 K '2 2 α ( α α ) 1 2 2 α1
☆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：
(6.12)
以角码 i 表示试验点序号，将式 (6.10)、(6.11) 代入上式
1 1 1 r r w s m2 0.8 0.14 0.14 K i c1 Re1, B / μ c Re B / μ i 1,i w1, i 2 2,i 2,i w2, i
再将它改写为：
m2 0.14 Re B / μ 1 m2 1 1 2,i 2,i w2, i 0.14 r r Re B / μ w s 2,i 2,i w2, i 0.8 0.14 K c c Re B / μ 2 1 1,i 1,i w1, i i
6.3.2 增强传热的方法
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。
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
6.3.3 热交换器的结垢与腐蚀
☆结垢—影响流动与传热；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：
1 1 Fo 1 定数 Ko ci Fi wi0.8
上式右边前3项可认为是常数，用 a 表示，物性 1 Fo 不变情况下，可认为 是常数，用 b 表示，
于是上式变为： 1 a b 1 0.8
Ko wi
c i Fi
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。
K2′ = n2 K1′ ☆表明当 α1=nα2 时候，K值随α2增长率要比随α1 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。
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)。
6 热ຫໍສະໝຸດ Baidu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： Δt Δt Δt Δt Δt m Δt Δt ln ln Δt Δt 传热系数： K = Q /(F Δtm )
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。 1) 扩展传热面积 F 2) 加大传热温差 Δt 3) 提高传热系数 K
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
m2 0.14 Re2, B / μ i 2,i w2, i 0.8 0.14 Re1, B / μ i 1,i w1, i
1 m2 0.14 y1 r r Re B / μ w s 2,i 2,i w2, i K i
δ=|Q1-Q2|/[(Q1+Q2 )/2] ≤5%
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)