实验一 换热器性能实验

实验一 换热器性能实验
1、 水-水换热器性能实验
一、实验目的
通过本实验加深学生对水－水换热器的认识，了解对该类型的换热器的测试方法。

二、实验的主要内容
本实验通过测量数据：1）冷、热流体的体积流量；2）冷、热流体的进、出口温度；3）冷、热流体的进出口压力降。

计算传热系数，分析水-水换热器的传热性能。

三、实验设备和工具
冷水机组，冷却塔，水-水换热器，涡轮流量计，水泵，冷媒泵，恒温器，温度传感器，压力传感器。

四、实验原理
右图表示通过平壁的传热方式，平壁左侧的高温流体经平壁把热量传递给平壁右侧的低温流体。

一般来说，传热过程中传递的热量正比于冷、热流体的温差及传热面积，它们之间的关系可用传热方程式表示：
Q K F t =⋅⋅∆ W
式中 Q ——单位时间通过平壁的传热量，W ；
F ——传热面积，2
m ；
t ∆——冷、热流体间的温差，℃；
K ——传热系数，2(W m ⋅℃)
当F=12
m ,t ∆=1℃时，Q=K, 表明传热系数在数值上等于温差为1℃，面积为12
m 时的传热率。

传热系数是热交换设备的一个重要指标，传热系数愈大，传热过程愈激烈。

本实验原理图如图所示：
五、实验方法和步骤
1、实验方法
在实验开始前，应检查设备、管线及测量仪表的可靠性。

开始运行后，应及时排净设备内的气体，使设备在完全充满实验流体的条件下运行并调节至试验工况（或指定工况），即需要调节换热器两侧流体的进口温度稳定在设定值附近，这两个参数允许的偏差范围按如下规定：
实验中，冷侧流体进口温度通过恒温器2电加热器控制，热侧流体进口温度通过恒温器1电加热器控制。

在每个测定工况（或指定工况）下，均应稳定运行30min 后，方可测定数据。

在每个测定工况（或指定工况）下，热平衡的相对误差均不得大于5%。

热侧流体换热量为：
111113
1()Q Cp G t t ρ=⋅⋅⋅- 式中，1Q ——换热器热侧换热量（kW ）；
1Cp ——热侧流体的比热容 （()kJ kg K ⋅）
； 1G ——由涡轮流量计1测得的热侧流体体积流量（3m s ）； 1ρ——热侧流体密度（3/kg m ）； 13T ——热侧流体进口温度（℃）； 14T ——热侧流体出口温度（℃）。

其中计算某一温度t 时冷却水比热容1Cp 和密度1ρ公式如下:
2
1 4.206
0.00130591
0.00001378982
C p t t =-- 2311000.830.083883760.0037279550.000003664106t t t ρ=--+
冷侧流体换热量为：
222212
1()Q Cp G t t ρ=⋅⋅⋅- 式中，2Q ——换热器冷侧换热量（kW ）；
2Cp ——冷侧流体的比热容 （()kJ kg K ⋅）
； 2G ——由涡轮流量计2测得的冷侧流体体积流量（3m s ）； 2ρ——冷侧流体密度（3/kg m ）； 11T ——冷侧流体进口温度（℃）； 12T ——冷侧流体出口温度（℃）。

其中计算某一温度t 时载冷剂（质量浓度为35%的乙二醇溶液）比热容2Cp 和密度2ρ公式
如下:
2 4.0917
60.00106375C p t
=+ 221001.440.194910.00243
t t ρ=--
取两者平均值作为换热器的换热量Q ：
12
2
Q Q Q +=
传热温差采用对数传热温差：
1411131214111312
()()
ln
t t t t t t t t t ---∆=
--
则该换热器的换热系数为： Q
K t F
=
∆⋅ 式中，F 为换热器的换热面积。

本试验台中换热器换热面积为0.42
m 。

2 实验步骤
1． 仔细阅读本实验指导书，对本实验的方法和原理做到充分了解。

2．熟悉本实验系统流程，开闭相应阀门（各阀门编号见系统总图），使实验装置处于水-水换热器实验运行流程。

本实验需要冷水机组提供冷水，故仍需使用制冷系统。

阀门具体操作如下：
a) 制冷剂环路：打开阀门C ，以使用热力膨胀阀（阀门E ），确保阀门D 处于关
闭状态。

阀门A 、G 均已调至合适状态，无需再调。

b) 冷却水环路：打开阀门2、7、11、10、14、12、1 、3 、6； c) 载冷剂环路：打开阀门16、18。

其余阀门（红色标签的）应都处于关闭状态。

3．确保双元件铂电阻T1放在换热器冷侧进口T11（取代铂电阻T11），以控制冷侧流体进口温度。

4． 接通多功能试验台电源，将控制台上选择开关切换至“换热器”档。

首先，打开冷却塔水泵电源，使冷却水环路运行。

其次，对控制台进行开关操作，依次启动冷媒泵、被测压缩机、恒温器（１）、恒温器（２）。

检查压缩机是否正常运转，若压缩机并未启动，按下装置现场压缩机旁电器柜的复位按钮。

注: 试验台上绿色按钮表示启动状态。

被测压缩机只有在冷媒泵启动后才能开启。

5．在系统设置界面设置实验设定参数；
6．通过阀门2调节热侧流体流量，改变热侧流体进出口温差（最好大于5℃）；通过阀门16调节冷侧流体流量，改变冷侧流体进出口温差（最好大于5℃）；
7．切换到换热器实验控制量过程线界面，观察换热器冷、热侧流体进口温度变化曲线； 8．待系统稳定运行在设定工况附近后，开始记录实验数据；
9．实验数据记录完毕后，选择打印控制量过程线，查看工况稳定程度，并打印报表。

六、实验报告主要内容及要求
1.记录实验数据；
2.打印控制量过程线；
3.分析实验数据，撰写实验报告。

2、空气-空气换热器性能实验
一、实验目的
1、通过本试验使学生对空调系统能量回收有一定的了解；
2、学习本实验中所涉及的各种参数的测量和处理方法。

二、实验的主要内容
1、测量冷热空气进出口处的干球温度和湿球温度，求得冷热流体进出口处的焓值，进而得到换热器的焓效率和温度热效率；
2、通过测试本体中喷嘴前后的压差及喷嘴前的压力，求得空气流量，进而得到换热器的换热量；
3、通过电参数仪测得风机功率。

三、实验设备和工具
本实验系统为空气－空气换热器性能试验装置，由工况机组、表面式冷却器、电加热器、电加湿器、测试本体、风机等设备组成。

如图所示。

空气－空气换热器两侧的环境温度控制在国家标准规定或自己定义工况。

通过测量冷热空气进出口处的干球温度和湿球温度，求得冷热流体进出口处的焓值，进而得到换热器的焓效率和温度热效率。

通过测试本体中喷嘴前后的压差及喷嘴前的压力，求得空气流量，进而得到换热器的换热量。

通过电参数仪测得风机功率。

四、实验原理
空气—空气换热器是两种气体进行热交换的设备。

本实验（如图1所示）是要在一定的试验工况下测试空气—空气换热器的性能。

在一定条件下，空气—空气换热器的性能主要由换热量、焓效率（全热交换效率）和温度热效率（显热交换效率）来衡量。

1、 温度热效率（显热交换效率） 1
34
3t t t t t --=
η 式中：1t 为污风进口干球温度 3t 为新风进口干球温度
4t 为新风出口干球温度 2、 焓效率（全热交换效率）
1
34
3h h h h h --=
η
),(111s t t f h = ),(333s t t f h =
),(444s t t f h =
式中：1t 、1s t 、1h 分别为污风进口干球温度、湿球温度和比焓值 3t 、3s t 、3h 分别为新风进口干球温度、湿球温度和比焓值 4t 、4s t 、4h 分别为新风出口干球温度、湿球温度和比焓值 3、 换热量Q
空气—空气换热器的换热量可以通过计算新风侧的进口、出口焓值和新风流量而得出。

新风入口比焓：),(333s t t f h =； 新风出口比焓：),(444s t t f h =；
单位质量流量的新风的换热量为：43h h q -= 流经空气—空气换热器的新风流量
m G 通过测量喷嘴前后的压差P ∆(公式中单位为Pa ，
测量值单位也为Pa)、喷嘴前的压力2P （公式中单位为Pa ，测量值单位为KPa)以及送风温度，按下列公式计算：
通过单个喷嘴的空气流量为：
体积流量：5
.0').(414.1n ai i gvi V P A C G ∆=；
质量流量：'
)1(n
n gvi gmi V
W G G +=
]).1/[(.1013252'P W V V n n n +=
式中：
i C ：喷嘴的流量系数，对于本实验，可取值为1；
ai A ：喷嘴面积，2
m ；
n V ：在喷嘴进口处的干湿球温度下，并在标准大气压时空气的比容，
3
m kg 干空气；
'n V ：喷嘴处的空气比容，
3
m kg 干空气
；
n W ：喷嘴处的空气含湿量，
kg
kg 干空气。

依据上面的结果计算出新风换热量即空气—空气换热器的换热量：
).(43h h G q G Q m m -==
五、实验方法和步骤
1、实验方法
为了确保实验系统运行在一个特定的工况下，实验时需要控制入口新风、污风的干球温度和湿球温度在设定值附近，这四个参数允许的偏差范围按有如下规定：
表1 空气—空气换热器性能试验名义工况参数的读数允差 ℃
验数据。

整个实验共分为7个时间段进行，对每个时间段内的数据分别进行处理，得到一组空气—空气换热器的性能参数，最后对7组参数取平均即可得到空气—空气换热器在该工况下的最终性能参数。

2、实验流程
1、 接通电源，打开控制台上的开关启动实验系统；
2、 运行焓差法多功能实验系统软件，进入空气—空气换热器实验系统；
3、 在工况设定及参数定义界面设置实验参数和试验工况；
4、 切换到工况过程线界面，观察新风、污风的干、湿球温度的变化曲线；
5、 待系统稳定运行在设定的标准工况下后，开始记录实验数据；
6、 实验结束后打印工况过程线（可选）和实验参数报告；
7、 退出实验软件，关闭实验系统，切断电源。

3、操作步骤
（一）实验前的准备工作
1、 仔细阅读本实验指导以及相关资料，对本实验的方法和原理做到充分了解；
2、 实验前检查本实验中所有实验设备是否有明显可见的功能性故障，检查所有的传感
器、线路是否连接正确；
3、 按下冷却塔水泵开关，开启冷却塔水泵；
4、 排出干湿球温度取样装置水槽中的水，重新用加水器加注蒸馏水（注：严禁使用自
来水和矿泉水），注水高度以不淹没热电偶插入小孔为宜。

同时，在湿球温度热电偶上缠绕合适大小的湿球纱布，纱布长度以超出热电偶顶端5cm 为宜。

小心将缠绕了纱布的湿球温度热电偶塞入取样水糟； 5、 记录被测空－空换热器铭牌参数备用；
6、 将被测空－空换热器放置于焓差法实验室室外侧与室内侧之间平台上，空－空换热
器与小窗口之间的空隙要堵死并做保温和密封处理；
7、将空－空换热器出风口连接装置与实验本体用螺栓连紧，注意连接处要做严格的保
温和密封处理；
8、将室内侧温度采样器摆放于空－空换热器进风口前，距离进风口要有一定距离，不
能阻碍正常的进风，又不可过远，以20cm左右为宜。

将室外侧污风温度采样器摆
放于前，距离污风排出口10cm为宜。

将室外侧新风温度采样器布置于远离污风排
出口处，切不可靠近污风排出口，以避免污风排风温度对采样的影响，污风排出口
和新风口间用隔板隔开；
9、插入被测空－空换热器电源插头，实验人员离开焓差法实验室，关闭库板门。

实验
期间不能随意打开门，人员不得进入实验室，以避免对实验环境的影响和干扰。

（二）实验开始
1、接通焓差法实验室电源，打开焓差法实验控制台的钥匙开关；
2、运行焓差法多功能实验系统软件，进入空－空换热器性能实验子系统。

点击软件界
面上的“设定”按扭，进行工况设定及参数定义。

注意：一定要正确选择喷嘴。

实
验时间设定值不得小于30秒。

点击“确定”按扭，开始实验数据的采集；
3、根据需要，在控制台上打开或关闭室内、外工况机组以及加湿装置，必要时，手动
调节各控制仪表的控制输出参数（注：不可改变控制仪表的当前设定值。

）；
4、观察空－空换热器性能实验系统软件过程线趋向和模拟图中实时显示的数据，同时
观察控制台上相应各个仪表，判断实验数据及实验环境是否稳定；
5、待实验数据及实验环境稳定一定时间后，点击空－空换热器性能实验系统软件界面
上“记录”按钮，记录之前的实验数据；
6、数据记录完毕后，软件会弹出对话窗口，询问是否打印过程线及提示保存数据，请
按照提示点击“保存”按钮进行数据保存。

也可即时打印出该实验时段内实验数据。

六、实验报告主要内容及要求
1、记录整理实验数据；
2、分析实验数据；
3、计算实验结果；
4、实验结论。

七、实验注意事项
实验结束后：
1、退出空－空换热器性能实验系统软件。

2、关闭焓差法实验控制台钥匙开关，停止所有数据采集。

3、断开焓差法实验室电源。

4、关闭冷却塔水泵。

关闭阀门J、阀门K、阀门L、阀门M、阀门N、阀门O及阀门
P。

5、打开库板门，进入焓差法实验室，拨出被测空－空换热器的电源插头。

6、将被测空－空换热器从平台上拆下。

准备下一次实验。

7、分析实验数据，撰写实验报告。

（注：原始实验数据保存在实验软件所在目录下空
空换热器子目录已保存数据文件夹中。

对应文件名为当时的实验时间.xls,例如
R04-11-05--15.43.xls就表示04年11月5日15点43分保存的实验数据。

若实验中
没有即时打印出，可随时打开查看。

）。