《热质交换原理与设备》实验指导书

教学实验2015-10 热质交换原理与设备实验指导书湘潭大学土木工程工程与力学学院建筑环境与设备工程专业2015年10月内部使用目录实验一散热器热工性能实验实验二汽—液式翅片管换热器实验实验一散热器热工性能实验一、实验目的：1、通过实验了解散热器热工性能测定方法及低温水散热器热工实验装置的结构。

2、测定散热器的散热量Q，计算分析散热气的散热量与热媒流量G和温差ΔT的关系。

二、实验装置见图一：图一散热器热工实验装置示意图1. 散热器阻力、温度取样点2.测压差阀门组3.散热器水流量调节阀4. 转子流量计5. 温度压差巡检仪6. 温控表7. 电压表8. 电流表9. 水位计10. 水泵开关及加热开关组1、2. 上水调节阀13. 散热器14.内置加热水箱、循环水泵的模拟墙体三、实验原理：本实验的实验原理是在稳定的条件下测定出散热器的散热量：Q=GC P（t g-t h）[kJ/h]式中：G——热媒流量，kg/h；C P——水的比热，kJ/Kg·℃；t g、t h——供回水温度，℃。

每组散热面积为：2m2上式计算所得散热量除以3.6即可换算成[W]。

由于实验条件所限，在实验中尽量减少室内温度波动。

低位水箱内的水由循环水泵打入高位水箱，被电加热器加热，并由温控器控制其温度在某一固定温度波动范围，由管道流入散热器中，经其传热将一部分热量散入房间，降低温度后的回水通过转子流量计流入低位水箱。

流量计计量出流经每个散热器在温度为t h时的体积流量。

循环泵打入高位水箱的水量大于散热器回路所需的流量时，多余的水量经溢流管流回低位水箱。

四、实验步骤：1、测量散热器面积。

2、系统充水，注意充水的同时要排除系统内的空气。

3、打开总开关，启动循环水泵,使水正常循环。

4、将温控器调到所需温度（热媒温度）。

打开电加热器开关，加热系统循环水。

5、根据散热量的大小调节每个流量计入口处的阀门，使之流量、温差达到一个相对稳定的值，如不稳定则须找出原因，系统内有气应及时排除，否则实验结果不准确。

6、系统稳定后进行记录并开始测定：当确认散热器供、回水温度和流量基本稳定后，即可进行测定。

散热器供回水温度t g 与t h 及室内温度t ，均采用Pt100.1传感器，配数显巡检测试仪直接测量，流量用转子流量计测量。

温度和流量均为每10分钟测读一次。

G t =L/1000=L·10-3 m 3/h式中：L ——转子流量计读值； l/h ；G t ——温度为t h 时水的体积流量；m 3/hG=G t ·ρt（tg/h ）式中：G ——热媒流量，（kg/h ）；ρt ——温度为t h 时的水的密度，（kg/ m 3）。

7、改变工况进行实验：a 、改变供回水温度，保持水量不变。

b 、改变流量，保持散热器平均温度不变。

即保持2hg p t t t +=恒定8、实验测定完毕：a 、关闭电加热器；b 、停止运行循环水泵；c 、检查水、电等有无异常现象，整理测试仪器。

五、阻力测试：就是通过测试装置测出通过散热器不同水量时所损失的压力及在工程设计中所需要的散热器阻力系数，以便向采暖系统工程设计提供参数。

测试装置U 型压差计见图二。

图二倒U 型压差计测试原理：水流通过散热器时，不仅流速和方向发生变化，并且由于散热器内腔的形状比较复杂，流通断面和形状的变化使水流产生涡流、撞击、转向及摩擦，从而消耗了能量，形成了水流阻力。

水流为克服这些阻力就要损失能量，能量损失的大小与水流速度的平方成正比，对于不同形式的散热器，同一水量通过时能量损失也不同，因此，需通过测试得到各种散热器的阻力系数。

利用流体力学中的阻力计算公式：22j v P gξ∆=则推出阻力系数：22j g P v ξ=∆⋅式中：ξ － 散热器的阻力系数；v － 水在散热器供水管中的流速；m/s ； 其连接管径DN15 d=15.6 mm ；j P ∆ － 水流在散热器进、出口所产生的能量损失，2mH O 。

测散热器进出口二个测压点的压差等于散热器局部水头损失：1h ∆=j P ∆式中：1h ∆－ 连接两点的U 形压力计的读数，m ； U 型压差计操作要点：1、关闭U 型压差计上的所有阀门；2、安装测压管；3、启动系统充水运行后，打开连通阀2；4、打开连高、底压测压管上的阀门1、7；5、打开排气阀4或5，使水位在测压管中间位置左右，然后关闭排气阀；6、关闭连通阀2，既可以正常测出压差。

六、实验报告：(1) 流量恒定，改变供回水温度(2)供回水温度恒定，流量改变七、注意事项：1、测温点应加入少量机油，以保持温度稳定；2、上水箱内的电热管应淹没在水面下时，才能打开，本实验台有自控装置；但亦应经常检查。

3、实验台应接地。

附：巡检仪设置巡检仪通道设置：实验二 汽—液式翅片管换热器实验一、实验目的1、通过本实验熟悉掌握空气与液体（水）换热量及换热系数的测定方法；2、通过本实验熟悉掌握换热器阻力的测试方法；3、了解温度、压力、流量数据采集系统的组成。

二、实验原理当处理空气时，处理过程为等湿加热且只是显热的交换过程。

被加热的空气所得到的热量为：)(12a a p a a t t C G Q -⋅= （1）a Q —空气得热量，Kw ； a G —空气的质量流量，Kg/s ； p C —空气的定压比热，Kj/Kg ；1a t —空气加热器前空气的温度，℃； 2a t —空气加热器后空气的温度，℃。

热媒水供给空气加热器的热量为：)(12w w w t t C G Q -⋅= （2）w Q —水放热量，Kw ； w G —水的质量流量，Kg/s ； C —水的定压比热，Kj/Kg ；1w t —水通过空气加热器后的温度，℃；2w t —水通过空气加热器前的温度，℃。

空气加热器供给空气的热量为：)22(2121a a w w f t t t t KF Q +-+= （3） f Q —空气加热器供给空气的热量，Kw ；K —空气加热器传热系数，Kw/m 2； F —空气加热器的散热面积，m 2。

忽略设备的散热损失的情况下，理论上三者应相等，即：f w a Q Q Q ==因此我们能够测量出空气侧获得的热量或水供给加热器的热量，即可得知加热器的换热能力即换热量，测出水进入换热器的进出口温度、空气流过换热器的进出口温度、换热器的面积，即可求出换热器的传热系数。

换热器的流体力学特性——空气流动阻力： 空气侧压力损失一般整理成（4）的形式：n a m p )(νρ=∆ （4）a p ∆—空气侧压力损失，Pa ；υρ—空气的质量流速，kg/(m 2·s)；υ —空气流速，m/s ；ρ —空气密度，kg/m 3； m —常数； n —指数常数。

三、 实验装置实验装置由空气动力及加热系统、空气参数测量系统、热水加热及参数测量系统、数据采集及处理系统等组成，如图1所示。

图1、实验装置系统图1、空气动力及加热系统由风机、风机调速器、方形风洞等组成。

风洞上设置测量换热器空气侧流动阻力的取压嘴及差压计。

设置测量空气流量的孔板及差压计。

空气温度用Pt100.1铂电阻传感器测量。

空气通过换热器的流通阻力，在换热器前后的风管上设静压测嘴，配差压传感器测量。

2、热水加热系统（1）换热器为空气加热器，空气加热器几何尺寸如下表：基管数量：42根，管径=9.5mm；基管面积：42×3.14×0.0095×0.18=0.2255148 m2铝片尺寸：0.175 mm ×0.13 mm，数量70片；单片铝翅片面积：0.175×0.13-42×0.785×0.00952 = 0.02275-0.002976=0.019774 m2铝翅片面积：0.019774×70=1.38418 m2铝翅片面积+基管面积= 1.6097 m2；散热面积：铝翅片面积×2 + 基管面积=1.38418×2 + 0.2255148=2.6938748迎风面积：0.18×0.0175=0.0315 m2；最窄通风面积：0.0315-0.0095×0.18×7=0.0315-0.011197=0.01953 m2（2）不锈钢水箱电加热器总功率为6KW，PID调节控制；（3）热水流量用浮子流量计测量；3、测量系统温度、差压、流量测量信号接入万能信号输入8点巡检仪上显示。

四、实验方法及操作步骤操作面板如图2图2操作面板如图1、实验方法t=60~80℃）1）拟定试验热水温度（可取12）在固定热水流量为某一值，改变空气流速的工况下，进行一组试验（3个以上工况）。

3）改变热水流量为某另值，改变空气流速的工况下，进行一组试验（3个以上工况）。

4）每一工况的试验，均需测定以下参数：空气进口温度；空气出口温度；空气孔板压差；空气阻力压差。

热水进口温度；热水出口温度；热水流量等。

2、操作步骤1）连接电源（380V，四线，50HZ，10KW）；2）向电热水箱内注水至超过水加热器最高点，以免加热器内有空气存在；3）用胶管把换热器进出口处的阻力测嘴与差压传感器连接好，用胶管把孔板流量计前后处的阻力测嘴与差压传感器连接好；4）接通电源，启动水泵，检查水管路，不得漏水，否则应处理，关闭水泵；5）设置温控表至所控温度值，启动电加热器；6）温度到达设值后，启动水泵；7）启动风机：打开风机开关，调节调速电位器，使风速最大；8) 观察巡检仪显示数据是否正常等。

3、工况调节1）根据水温度利用水泵出口阀门可调节热水流量。

2）根据空气温差，调节电位器可调节空气流量。

3）设定工况1，测取参数； 4）改变工况，测取各工况参数。

5）记录各工况数据。

五、注意事项：（1）热水温度不能超过80℃，防止水泵因气塞而不能正常工作。

（2）试验完毕应先关闭电热器开关； （3）十分钟后关闭水泵、风机开关； （4）最后，切断电源。

六、数据处理1、空气获热量：)(12a a p a a t t C G Q -⋅= (W)2、热水放热量：)(12w w w t t C G Q -⋅= (W)3、平均换热量：2a wQ Q Q +=， (W) 4、热平衡误差：100%2a wa wQ Q Q Q -∆=⨯+5、传热系数：)22(2121a a w w f t t t t KF Q +-+==p t KF ∆=Q 传热系数：pt F QK ∆⋅=(W/m 2·℃) 式中： 222121a a w w p t t t t t +-+=∆ (℃) 对于翅片管，管外放热系数可以有不同的定义公式，可以以光管外表面为基准定义放热系数，也可以以包括翅片在内的管外表面积为基准定义。