换热器综合实验 实验六
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动力工程学院研究生实验报告
题目：换热器综合实验
学 号：012
姓 名：毛娜
教 师：王宏
动力工程学院中心实验室
2013年7月
报告内容
一 实验背景
换热器在工业生产中是经常使用的设备。热流体借助于传热壁面，将热量传递给冷流体，以满足生产工艺的要求。本实验主要对应用较广的间壁式换热器中的三种换热：套管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。通过实验，主要达到以下目的：
1、熟悉换热器性能的测试方法；
2、了解套管式换热器，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、加深对顺流和逆流两种流动方式换热器换热能力差别的认识。
二 实验方案
（一）实验装置
实验装置简图如图1所示：
图1 实验装置简图
1. 热水流量调节阀 2. 热水螺旋板、套管、列管启闭阀门组
3. 冷水流量计 4. 换热器进口压力表 5. 数显温度计
6. 琴键转换开关 7. 电压表 8. 电流表 9. 开关组
10. 冷水出口压力计 11. 冷水螺旋板、套管、列管启闭阀门组 12. 逆顺流转换阀门组 13. 冷水流量调节阀
换热器性能试验的内容主要为测定换热器的总传热系数，对数传热温差和热平衡误差等，并就不同换热器，不同两种流动方式，不同工况的传热情况和性能进行比较和分析。
本实验装置采用冷水可用阀门换向进行顺逆流实验；如工作原理图2所示。换热形式为热水—冷水换热式。热水加热采用电加热方式，冷—热流体的进出口温度采用数显温度计，可以通过琴键开关来切换测点。
注意事项：
①热流体在热水箱中加热温度不得超过80℃；
②实验台使用前应加接地线，以保安全。
图2 换热器综合实验台原理图
1. 冷水泵 2. 冷水箱 3. 冷水浮子流量计 4. 冷水顺逆流换向阀门组 5. 列管式换热器
6. 电加热水箱
7. 热水浮子流量计 8. 回水箱 9. 热水泵 10. 螺旋板式换热器 11. 套管式换热器
（二）实验台参数
1、换热器换热面积{F}：
（1）套管式换热器：
（2）螺旋板式换热器： m2
（3）列管式换热器： m2
2、电加热器总功率： 3、冷、热水泵：
允许工作温度：<80℃；
额定流量：3m3/h；
扬程：12m；
电机电压：220V；
电机功率：370W。
4、转子流量计型号：
型号：LZB-15；
流量：40~400升/小时；
允许温度范围：0-120℃。
（三）实验步骤
1、实验前准备：
（1）熟悉实验装置及使用仪表的工作原理和性能；
（2）打开所要实验的换热器阀门，关闭其它阀门；
（3）按顺流（或逆流）方式调整冷水换向阀门的开或关；
（4）向冷-热水箱充水，禁止水泵无水运行（热水泵启动，加热才能供电）。
2、实验操作：
（1）接通电源；启动热水泵（为了提高热水温升速度，可先不启动冷水泵），并调整好合适的流量；
（2）调整温控仪，使其能使加热水温控制在80℃以下的某一指定温度；
（3）将加热器开关分别打开（热水泵开关与加热开关已进行连锁，热水泵启动，加热才能供电）；
（4）利用数显温度计和温度测点选择琴键开关按钮，观测和检查换热器冷-热流体的进出口温度。待冷-热流体的温度基本稳定后，既可测读出相应测温点的温度数值，同时测读转子流量计冷-热流体的流量读数；把这些测试结果记录在实验数据记录表中；
（5）如需要改变流动方向（顺-逆流）的实验，或需要绘制换热器传热性能曲线而要求改变工况[如改变冷水（热水）流速（或流量）]进行实验，或需要重复进行实验时，都要重新安排实验，实验方法与上述实验基本相同，并记录下这些实验的测试数据；
（6）实验结束后，首先关闭电加热器开关，5分钟后切断全部电源。
三 数据分析 1、实验数据记录表
环境温度0t 35 ℃
表1 实验数据记录表
套管式换热器 热 流 体 冷 流 体
进口温度T1（℃） 出口温度T2（℃） 流量计读数V1（l/h） 进口温度
t1（℃） 出口温度t2(℃) 流量计读数V2（l/h）
顺
流 200 44 55
194 80
194 41 98
逆
流 170 45 65 71
53 170 104
170 48 90
列管式换热器 热 流 体 冷 流 体
进口温度T1（℃） 出口温度T2（℃） 流量计读数V1（l/h） 进口温度
t1（℃） 出口温度t2(℃) 流量计读数V2（l/h）
顺
流 60 184 49 75
243 85
180 47 65
逆
流 195 70
250 67
185 80
螺旋板式换热器 热 流 体 冷 流 体
进口温度T1（℃） 出口温度T2（℃） 流量计读数V1（l/h） 进口温度
t1（℃） 出口温度t2(℃) 流量计读数V2（l/h）
顺
流 146 135
145 150
71 140 80
逆
流 140 80
47 120 90
118 120
2、数据计算
（1）计算公式
热流体换热量：)(21111TTCmQp [W]
冷流体吸热量：)(21222ttCmQp [W]
平均换热量： 221QQQ [W]
热平衡误差： %10021QQQ 对数传热温差：)/ln()/ln(212112121TTTTTTTT [℃]
传热系数：
1FQK [W/(m2·℃)]
式中：
Cp1，Cp2 ——热、冷流体的定压比热 [J/kg·℃]
m1，m2 ——热、冷流体的质量流量 [kg/s]
T1，T2 ——热流体的进出口温度 [℃]
t1，t2 ——冷流体的进出口温度 [℃]
ΔT1= T1-t2；ΔT2= T2-t1 [℃]
F ——换热器的换热面积 [m2]
注意，热、冷流体的质量流量m1、、m2是根据修正后的流量计体积流量读数1V、2V再换算成的质量流量值。
（2）将实验记录数据代入上述计算式中进行计算，可分别得到三种换热器在顺流和逆流情况下的换热量、热平衡误差、对数传热温差及相应的传热系数，具体计算结果如下表所示。
环境温度035t℃
表2 计算结果
类
型 顺逆流 热流体换热量Q1(W) 冷流体吸热量Q2(W) 平均换热量Q(W) 热平衡误差 对数传热温差1(℃) 传热系数K(W/m2·℃)
套管式 顺流
逆流
列管式 顺流
逆流
螺旋板式 顺流
逆流
3、绘制传性能曲线，并作比较
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如图3和图4所示。
图3 顺流时三种换热器性能曲线
图4 逆流时三种换热器性能曲线 4、误差分析
对实验结果进行分析，引起误差的原因归纳如下：
（1）实验装置本身引起的系统误差；
（2）测量误差：实验中发现冷出口温度一直没有办法维持在一个值上，可能是测温器出现了问题，导致各组数据差距较大，得到的数据也有一定的问题，从而使得最后的K值偏小；流量计的读数在实验过程中一直不稳定，可能引起测量的流量不准确；
（3）计算误差：计算过程中对数据处理采用的方法也会造成一定的误差，如实验中未引入传热平均温差修正系数，可能导致最后求得的K值与实际值不符。
四 实验结论
1、通过实验我们计算得出了相应的传热系数，并绘制出三种换热器在两种不同流动方式下的传热性能曲线。但根据传热学知识分析，本实验得到的结果存在较大的误差，三种不同的换热器的换热性能普遍较低。
2.、对比两种流动方式下的传热性能，可以发现三种换热器逆流时换热效果都比顺流时的换热效果要好，如套管式换热器，在顺流时传热系数在100~200之间，而逆流时，其传热系数在2000~3000之间。
3、比较三种换热器，套管式换热器的传热系数最高，其次是螺旋板式换热器，而列管式换热器最低。
五 改进方案及建议
1、对实验装置进行改进：（1）温度测量方面：在测量冷热水进出口温度时，温度读数一直不停的改变，对计算结果造成误差；（2）流量测量方面：实验的不同工况就是通过改变流量实现，但是在某一工况进行中，流量计读数不能稳定，一直在降低，这给实验结果造成了很大的误差；（3）阀门方面：实验装置的阀门过于陈旧，易误操作，从而引起实验的不准确，可以改进下实验装置阀门，如切换流体流动方向可考虑用电磁阀等更方便操作的配件。这样能保证实验过程更加顺利地进行，以达到减小实验误差的目的。
2、对实验环境加以改善。在实验过程中环境温度过高，会使得冷水进口温度过高，从而降低换热器换热效果。
参考文献
[1] 唐经文. 热工测试技术[M]. 重庆大学出版社,2007.
[2] 杨世铭,陶文铨. 传热学第四版[M]. 高等教育出版社,2006.
