换热器的操作和总传热系数的测定

换热器的操作和总传热系数的测定

一、实验目的

1. 了解换热器的结构与工作原理。

2. 掌握换热器总传热系数的测定方法。

3. 了解换热器的操作方法与强化途径。

二、实验原理

换热器在工业生产中是经常使用的设备。热流体借助于传热壁面，将热量传递给冷流体，以满足生产工艺的要求。影响换热器传热量的参数有传热面积、平均温度差和总传热系数三要素。为了查阅文献外，换热器性能实测是重要的途径之一。总传热系数是度量换热器性能的重要指标。为了提高能量的利用率，提高换热器的总传热系数以强化传热过程，是生产实践中经常遇到的问题。

列管换热器是一种间壁式的传热装置，冷热液体间通过壁面完成传热过程。由热流体对壁面的对流传热、间壁的固体传导和壁面对冷流体的对流传热三个传热子过程组成。以冷流体侧传热面积为基准的总传热系数与三个子过程的关系为冷流体→壁面→热流体。由此可知，通过分别考察冷热流体流量对传热系数的影响，可达到了解某个对流传热过程的性能。若要了解对流给热过程的定量关系，可由非线性数据处理而得

H

h C m C c A A A A K αλδα++=

1

1

这种研究方法是过程分解与综合实验研究方法的实例。

总传热系数K 借助于传热速率方程式和热量衡算方程式求取 热量衡算方程式

()()

出进出进t t C G Q T T C G Q Pc c Ph h h -=-=c

损Q Q Q c h +=

换热器保温良好

0=损Q

则

Q Q Q c h ==

由于实验过程中存在随机误差，换热器的传热量为

()2/c h Q Q Q +=

换热器的操作优劣以传热不平衡度η度量，即

%100⨯-=

θ

θ

θηh 总传热速率方程式

m t KA Q ∆=

()()

进

出出进进出出进t T t T t T t T t m ----=

∆ln

上面各式中：K 为总传热系数；α为流体的给热系数；A 为换热器的传热面积；G 为流体的质量流量；Q 为传热量；C p 为流体的恒压热容；T 为热流体温度；t 为冷流体温度；△t 为传热温度差；η为操作不平衡；λ为固体壁的导热系数；δ为固体壁的厚度。对于单壳程、双管程或二管程以上的修正系数见图4-8。

三、实验装置

本实验物系冷流体是水，热流体是空气。冷流体自上水总管来，经转子流量计测定流量，温度计测量进口温度后，进入换热器壳层，换热后在出口测量其出口温度；热流体自风源来，经转子流量计测量流量后，进入电加热器加热到90~100℃流入换热器的管城，并测量进出口温度。具体实验装置图见图4-9。

四、实验步骤

1. 打开水源，由调节阀5调节冷流体流量。

2. 开通风源1，打开阀4，由调节阀3调节空气流量，接通加热器2，电源加热空气到90~100℃，不得大于100℃。实验中一定要先打开冷流体后开热流体。维持冷热流体流量不变，热空气进口温度在一定时间内基本不变，可记录有关数据。每个试验点测3~4次数据，测量间隔约3~5min ，重复测量直到稳定。

测定总传热系数K 时，在维持冷流体（或热流体）流量不变的情况下，根据试验布点要求，改变热空气（或冷流体）流量3次。小气量用旁路阀调节。实验结束，关闭加热电源，待热空气温度降至50℃以下，关闭冷热流体调节阀，并关闭冷热流体源。

五、实验结果

具体实验数据、计算结果见附页，下面以第一组数据为例计算：

()()()()W

t t C q Q W

T T C q Q Pc c Vc c Ph h Vh h 60.5491.163.184183100036001000215

51.5925.641601009946.03600

100023400

=-⨯⨯⨯⨯=-==-⨯⨯⨯⨯=

-=进出出进ρρ

W Q Q Q C h 06.5712

60

.54951.5922=+=+=

()()()()

K t T t T t T t T T m

9.861

.165.643.18160ln

1.165.643.18160ln =-----=-----=∆进

出出

进进出出进

()

K m W t A Q K m ⋅=⨯=∆=

2/7854.189

.8635.006

.571 经计算，得平均值K=17.8346W/（m 2·K ）

六、误差分析

1. 实验中发现冷出口温度一直没有办法维持在一个值上，可能是测温器出现了问题，导致后两组数据与前三组数据差距较大，最后的K 值也偏小。

2. 计算中采用的密度和比热容都是温度的算术平均值对应的值，可能与实际值有差距，引入误差。

3. 热流体流速过快可能导致其热传导不充分，使得最后的K 值偏小，引入误差。

4. 实验中未引入传热平均温差修正系数，可能导致最后求得的K 值与实际值不符。

七、思考题

1. 实验中有哪些因素影响实验的稳定性？参数波动的原因有哪些？ 答：流速是否稳定不变、冷热流体进口温度是否恒定及观察数据时冷热流体是否已达到热平衡等因素都会影响实验稳定性，使得参数波动。

2. 影响传热系数K 的因素有哪些？强化传热要以什么为代价？

答：冷热流体及管壁的性质、管壁的厚度、冷热流体的流速等等。强化传热可以通过减小管壁厚度、改变管壁材料或者减慢流速等方法来强化传热。

3. 在传热中有哪些工程因素可以调动，你在操作中主要调动哪些因素，应如何着手？