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）
其中特征尺寸D H
可用下式定义
D H =4V/A a (m) (10) V 为气侧通道所占体积：V=a×b×h (m 3) A a 为与空气接触的表面积，即气侧表面积 (㎡) G a 为空气质量流速，可采用下式计算：
a
a
a F M G
(Kg/㎡?s) 即用空气流至换热器的迎面质量流速，来定义雷诺数。
采用上述J 及Re 的定义法，数据处理及使用结果亦比较方便。
试验工况可安排在不同的空气流量下进行（为什么？），水温及水速可不受限制。将各工况所测结果按上述方法计算出相应的J 与Re ，然后绘在双对数纸坐标上，即得出其J~Re 变化规律。此部分内容要求同学们自己完成。
三．实验步骤及注意事项 实验步骤：
1．接通可控硅温控器电源，设定热水加热温度，对水加热10分钟。 2．开启回水阀，打开水泵，调节流量。 3．开启风机，将风门调至所需开度。
4．待水温及水流量稳定后，读取有关数据。
5．改变工况，稳定5分钟后再读取另一工况的数据。 注意事项：
1．热水温度一般设置在70~80℃ 2．水流量一般选在250~350L/h 左右
测传热系数K 时，维持恒定的水流量，改变不同的空气流速进行测量。
欲测气侧传热因子J 与雷诺数Re 关系时，改变不同的空气流速，可相应适当调节水流量。
3．用不同收缩口直径的吸风口，并调节风门开度，以获得不同的空气流量。 4．因为可控硅温控器对水温的控制有1~2℃的波动，会对读数和实验结果造成一定影响，可用调压器替代可控硅温控器以保证进口水温的稳定。
5．注意为什么本实验采用改变风量的方法来测量传热因子J~Re 曲线。如果采用改变水侧流量的方式来测取水侧J~Re 曲线，会有什么现象？
四．实验及结果整理
要求由学生自己编制实验大纲，完成实验。大纲要求包括试验对象、试验原理、试验设备及测量系统、试验工况选定、数据记录表格、数据处理等。然后自己组织试验，再完成实验报告。时间上安排二次，第一次了解试验台装置并编制实验大纲，第二次再进行试验。教师只就试验原理作简单介绍，提出编制大纲的要求。
附表一为数据记录表格的参考格式。
附表二、三为数据处理及整理的参考格式。 另要求：
1. 将传热系数K 随空气质量流速Ga 的变化规律在方格纸上用坐标图表示。
2. 将气侧换热面的传热因子J 与雷诺数Re 间的关系在方格纸上用坐标图表示。
附表 1 空气---水换热器实验数据记录及计算结果实验完成人：
附表2 水管内外换热系数的计算实验完成人：