换热器性能综合测试实验

第一章实验装置说明

第一节系统概述

一、装置概述

目前我国传热元件的结构形式繁多，其换热性能差异较大，在合理选用和设计换热器的过程中，传热系数是度量其性能好坏的重要指标。本装置通过以应用较为广泛的间壁式换热器（共有套管式换热器、螺旋板式换热器、列管式换热器和钎焊板式换热器四种）为实验对象，对其传热性能进行测试。。

二、系统特点

1.采用四种不同结构的换热器（分别为套管式换热器、螺旋板式换热器、列管式换热器和钎焊板式换热器）作为实验对象，对其进行性能测量。

2.实验装置可测定换热器总的传热系数、对数传热温差和热平衡误差等，并能根据不同的换热器对传热情况和性能进行比较分析。

3.实验装置采用工业现场的真实换热器部件，与实际应用接轨。

三、技术性能

1.输入电源：三相五线制AC380V±10% 50Hz

2.工作环境：温度-10℃～+40℃；相对湿度＜85%(25℃)；海拔＜4000m

3.装置容量：＜4kVA

4.套管式换热器：换热面积0.14m2

5.螺旋板式换换热器：换热面积1m2

6.列管式换热器：换热面积0.5m2

7.钎焊板式换热器：0.144m2

8.电加热器总功率：＜3.5kW

9.安全保护：设有电流型漏电保护、接地保护，安全符合国家标准。

四、系统配置

1.被控对象系统：主要由不锈钢钢架、热水箱、热水泵、冷水箱、冷水泵、涡轮流量计、PT100温度传感器、板式换热器、列管式换热器、套管式换热器、螺旋板式换热器、冷凝器、电加热棒、电磁阀、电动球阀、黄铜闸阀以及管道管件等。

2.控制系统：主要由电源控制箱、漏电保护器、温度控制仪、流量显示仪、调压模块、开关电源以及开关指示灯等。

第二节换热器的认识

一、换热器的形式

能使热流体向冷流体传递热量，满足工艺要求的装置称为换热器。换热器的形式有很多，用

途也很广泛。诸如为高炉炼铁提供热风的热风炉，就是一座大型蓄热式陶土换热器；热电厂锅炉上的高温过热器是以辐射为主的高温换热器，而省煤器是以对流为主的交叉流换热器；冶金工厂安装在高温烟道中的热回收装置常用片状管式、波纹管式、插件式等型式换热器；制冷系统上的冷凝器、蒸发器属于有相变流体的换热器，这类换热器无所谓顺流或逆流；内燃机的冷却水箱属于交叉流间壁式换热器的一种。

二、几种主要的换热器

1.列管式换热器（图1）

列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。列管式换热器可以采用普通碳钢、紫铜或不锈钢进行制作。在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管道中流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。

列管式换热器有多种结构形式，常见的有固定管板式换热器、浮头式换热器、填料函式换热器及U型管式换热器。

2.螺旋板式换热器（图2）

螺旋板式换热器（SHE）结构简单而精密，它由两块或四块长金属薄板绕同一个中心卷制而成，板与板之间焊有定距柱，形成了两条或四条间距相同又各自完全独立的螺旋形流道。螺旋板式换热器的流道呈同心状，同时具有一定数量的定距柱。流体在雷诺数较低时，也可以产生湍流。通过这种优化的流动方式，流体的热交换能力得到了提高，颗粒沉积的可能性下降。

由于流道的几何形状具有很大的灵活性，因此，螺旋板式换热器可以根据已有的条件和需求进行适当的调整。同时，螺旋板式换热器具有比较长的单独流道，可以为许多不易处理的流体提供足够长的热交换距离，这样，流体可以在一个设备中进行完全处理，并且避免了由于流体的突然转向而产生的堵塞问题。

螺旋板式换热器采用单流道结构设计，因此采用化学方法对流道内部进行清洗具有很好的效果。有盖板的螺旋板式换热器，盖板一般都配有钩头螺栓，以便于打开盖板，用机械方式对流道内部进行清洗。而在处理污泥和泥浆的设备上，盖板一般都安装有脚轮或者吊架，这样可以更快捷的打开盖板。

3.套管式换热器（图3）

套管式换热器以同心套管中的内管作为传热元件的换热器。两种不同直径的管子套在一起组成同心套管，每一段套管称为“一程”，程的内管（传热管）借U形肘管,而外管用短管依次连接成排,固定于支架上。热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。通常，热流体由上部引入,而冷流体则由下部引入。

套管中外管的两端与内管采用焊接或法兰连接。内管与U形肘管多用法兰连接,便于传热管的清洗和增减。每程传热管的有效长度取4～7m，这种换热器传热面积最高达18m2,故适用于小

容量换热。当内外管壁温差较大时,可在外管设置U形膨胀节或内外管间采用填料函滑动密封,以减小温差应力。管子可用钢、铸铁、陶瓷和玻璃等制成,若选材得当,它可用于腐蚀性介质的换热。这种换热器具有若干突出的优点，所以至今仍被广泛用于石油、石油化工等工业部门。

4.板式换热器（图4）

板式换热器属于高效换热设备。在实际应用中有两种，一种是旋压法制造的伞板式换热器，另一种是冲压法制造的平板换热器。其结构特点如下：1、体积小、占地面积少；2、传热效率高；

3、组装灵活；

4、金属消耗量低；

5、热损失小；

6、拆卸、清洗、检修方便；

7、使用安全可靠；

8、有利于低温热源的利用；9、冷却水量小；10、阻力损失少；11、投资效率高。

图1 列管式换热器原理图图2 螺旋板式换热器

图3 套管式换热器原理

图4板式换热器原理

第二章 换热器性能综合测试实验

一 、 实验目的

1．熟悉板式、套管式、螺旋板式、列管式换热器的结构，掌握其传热性能及测量计算方法； 2．了解和掌握套管式换热器、螺旋板式换热器和列管式换热器的结构特点及其性能的差别。 3.了解和认识顺流和逆流两种流动方式换热器换热能力的产别。 4.学会换热器的操作方法，掌握换热器主要性能指标的测定方法。 二、 实验原理

换热器性能测试试验，主要对应用较广的间壁式换热器中的四种换热：套管式换热器、板式换热器、螺旋板式换热器和列管式换热器进行其性能的测试。其中，对套管式换热器、板式换热器和螺旋板式换热器可以进行顺流和逆流两种流动方式的性能测试，而列管式换热器只能作一种流动方式的性能测试。装置上的板式、套管式、螺旋板式、列管式换热器都属于间壁式金属换热器，热交换介质为冷热水。通过换热器性能测试试验，测定并计算出换热器的总传热系数，对数平均传热温差和热平衡误差等，绘制传热性能曲线，并作比较：（1）以传热系数为纵坐标，冷水（热水）流速（或流量）为横坐标绘制传热性能曲线；并就不同换热器，两种不同流动方式，不同工况的传热情况和性能进行比较和分析。

(1) 换热器的传热方程为

m t KF Q ∆=

(2)热水和冷水热交换平衡方程式为

cold heat Q Q =