翅片管换热器实验指导书

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指导说明书

同济大学热能实验室

陈德珍

2000年1月

第一部分空冷器实验台系统说明

本实验台是上海交通大学开发、针对换热器课程的教学要求而设计的科教产品。所用的换热器为一较小的间壁式换热器，空气—水作为介质，实验台由独立的风源，热水源，温度控制器等组合而成，有较大的灵活性，以后还可发展冷却塔性能试验。

一、实验台组成、系统、设备及仪表

实验台系统的简图见图1，主要由风源、热水源、可控硅温度控制器组成。且各自独立，有较大的灵活性。

主要性能：

1.风源：风机：电机：400w，三相380v

风量：800m3/h

风压：60mmH2O

出风口尺寸：200×135mm

吸风口配二只可叠套的橡胶收缩风口，测速段处直径分别为

D1=120mm及D2=60mm,

2.热水源：水箱尺寸：445×245×575mm

水泵：电机：120W 单相220v

流量：1.5m3/h

压头：12mH2O

加热器：3KW 220V 3只

转子流量计：LZB-25 60-600L/h

3.可控硅温度控制器：TA-092 PID调节仪

ZK-03 三相可控硅电压调整器

最大输出功率10KW

铂电阻温度传感器BA20~100℃

可控硅 3CT 20A/1000V

电源：三相380V

4.试验用换热器

实验所用的间壁式换热器为一较紧凑的翅片管式散热器，由铜管束套带皱折的铝整

体翅片构成，见图2。

主要参数：

管束：紫铜管管径：d0=10mm

d1=8mm

节距横向：s1=45mm

纵向：s2=13mm

翅片：铝制、皱折、整片

片厚：δ=0.1mm

片节距：t=2.6mm

试件总体尺寸：

水侧：横向管数：n1=3

纵向管排数：n2=8

总管数：n=n1×n2=24

水通道并联管子数：即n1=3

管子总长度：L=a×n=0.2×24=4.8m

通道面积：F w=n1×π×d1×d1/4

=1.508×10-4

㎡ 气侧：通道尺寸：a=200mm b=130mm h=116mm 翅片数：m=76

通风面积：Fa=a ×b=0.0272m 2

传热总面积： Aa=20201124.2)(2)4

1

(m n d m a m n d h S n =⨯⨯⨯⨯-+⨯⨯⨯⨯-

⨯⨯πδπ 特征尺寸：Da=4V/A a =4×a ×b ×h/A a =4×0.2×0.136×0.116/2.24 =5.6mm 整个风源设计紧凑，风箱用塑料制成，出风口线型及大的收缩比，保证空气在换热器进口截面处有均匀流速。吸风口、调风口、整流栅、毕托管紧凑地组合在一起，为了适应不同风量测量的需要，用二只直径不同的可叠套使用的橡胶收缩风口，选用方便。

试验用换热器是放置在出风口上，拆换方便。风箱制成水密形式，需要时可更换试验件作冷却塔填料性能试验。

热水源水箱用不锈钢制成，水泵、流量计、调节阀、回流管路、加热器组合紧凑。 风源、热水源、温度控制器各自独立，移动方便，可充分发挥各自的功能。

翅片管散热器试验时，水---空气流可按逆流连接。空气---水进出口温度用铜—康铜热电偶测量，水温测点t w 1

,t w2直接放置在二联箱进出口。进口空气温度t a1,测点装在紧靠换热器的进出口截面处，换热器出口通道加一均温段，再用均不的九对热电偶并联测量出口空气温度t a2热电偶接线见图3，冷端放入冰瓶内，同过一转换开关，用电位差计测量tw 1、t w2、t a1、t a2 各温度。

用毕托管测定吸风口收缩段处流速，以确定空气流量，大流量时用收缩段直径D=120mm 的吸风口，小流量时用直径D=60mm 的吸风口，再用调风门改变风量。 水流量通过调节阀控制，用转子流量计测量。

第二部分 实验内容及安排

一、实验目的

借助该实验台，学生可以组织一间壁式换热器的试验，能够达到以下几方面。

1．测定间壁式换热器的传热系数；

2．了解换热器的工作性能，熟悉间壁式换热器的热工计算方法；

3．进一步可确定该换热器气侧换热面的传热特性，即传热因子与雷诺数之间的关系； 4．熟悉流体流速、流量、温度等的测量，以及对实验数据的处理。

二、实验内容及数据处理

1．测定换热器传热系数及其变化规律 热水在管内流动，放热量Qw.

Q w =M w ×C pw ×(tw 1-tw 2) (w) (1) 空气流过管束外侧，吸热量Q a

Q a =M a ×C pa ×(ta 2-ta 1) (w) (2)

以Q a 、Q w 间热平衡误差△<10%的数据认为有效，并按平均值作为其换热量Q.

△ =（Qw-Qa ）/Q *100%

Q=(Qw+Qa)/2 (w) (3)

水---空气按逆流方式工作，传热系数K

K=Q/Aa ·△t m (w/m 2

℃) (4) 以上各式中：

tw 1、tw 2-----水进出口温度； (℃) ta 1、ta 2-----空气进出口温度； (℃) M w 、M a -----水、空气的质量流量; (Kg/S)

C pw 、C pa ----- 水、空气的比热; (J/Kg ·℃)

△t m -------- 平均温差，(℃)；其计算如下： 1

2211221ln

)

()(a w a w a w a w m t t t t t t t t t -----=

∆

A a --------气侧换热总面积。 (㎡)

空气流速变化对传热系数K 的影响较大，水流速度及水温变化对传热系数也有影响。为了了解空气流速及水流速度对传热系数的影响，可藉温控器保持相同的水温，并维持一定的水流量，改变不同的空气流量进行试验，可得出某水温、水流速条件下传热系数随空气流速的变化规律。

2．确定气侧换热面的传热规律，既传热因子J 与雷诺数Re 之间的关系 该换热器的传热元件为带翅片的圆管，换热器热阻由以下几部分组成。

(

)

(

)ηαπλπa

A Fa d d FW a i a

i

w

r l

r l

d KA 12ln 111

10

+

++

+= （5）

其中： r Fw 、r Fa

------为水侧和气侧的污垢热阻；(㎡℃/W) αw 、αa -----为水侧和气侧换热系数； （W/㎡℃） η-------气侧的肋壁效率；

dl

i d d π2)

ln(0

------管壁导热热阻；（℃/W ）

在试验设备新投入使用时，可忽略污垢热阻，（5）式可简化为：

a

a d d w i A l l d KA i ηαπλαπ12)

ln(110

++= （6） 其中：1/KA 由本实验确定，即：

1/KA=△t m /Q (7) 水侧换热系数αw ，按水在管内流动的换热准则方程，由计算确定。 由（6）式即可求出气侧换热表面的热阻1/（αa ·ηA a ）值。 气侧换热面的换热规律可用J 和Re 关系表示。 传热因子J 可用折算换热系数αA =αa η来定义。 3

2Pr ⋅⋅=

p

a A

C G J α （8）

雷诺数Re 的计算为： μ

H

a e D G R ⋅=

（9）