换热器性能综合测试实验

第一章实验装置说明第一节系统概述一、装置概述目前我国传热元件的结构形式繁多，其换热性能差异较大，在合理选用和设计换热器的过程中，传热系数是度量其性能好坏的重要指标。

本装置通过以应用较为广泛的间壁式换热器（共有套管式换热器、螺旋板式换热器、列管式换热器和钎焊板式换热器四种）为实验对象，对其传热性能进行测试。

二、系统特点1.采用四种不同结构的换热器（分别为套管式换热器、螺旋板式换热器、列管式换热器和钎焊板式换热器）作为实验对象，对其进行性能测量。

2.实验装置可测定换热器总的传热系数、对数传热温差和热平衡误差等，并能根据不同的换热器对传热情况和性能进行比较分析。

3.实验装置采用工业现场的真实换热器部件，与实际应用接轨。

三、技术性能1.输入电源：三相五线制 AC380V±10% 50Hz2.工作环境：温度-10℃～+40℃；相对湿度＜85%(25℃)；海拔＜4000m3.装置容量：＜4kVA4.套管式换热器：换热面积0.14m25.螺旋板式换换热器：换热面积1m26.列管式换热器：换热面积0.5m27.钎焊板式换热器：0.144m28.电加热器总功率：＜3.5kW9.安全保护：设有电流型漏电保护、接地保护，安全符合国家标准。

四、系统配置1.被控对象系统：主要由不锈钢钢架、热水箱、热水泵、冷水箱、冷水泵、涡轮流量计、PT100温度传感器、板式换热器、列管式换热器、套管式换热器、螺旋板式换热器、冷凝器、电加热棒、电磁阀、电动球阀、黄铜闸阀以及管道管件等。

2.控制系统：主要由电源控制箱、漏电保护器、温度控制仪、流量显示仪、调压模块、开关电源以及开关指示灯等。

第二节换热器的认识一、换热器的形式能使热流体向冷流体传递热量，满足工艺要求的装置称为换热器。

换热器的形式有很多，用途也很广泛。

诸如为高炉炼铁提供热风的热风炉，就是一座大型蓄热式陶土换热器；热电厂锅炉上的高温过热器是以辐射为主的高温换热器，而省煤器是以对流为主的交叉流换热器；冶金工厂安装在高温烟道中的热回收装置常用片状管式、波纹管式、插件式等型式换热器；制冷系统上的冷凝器、蒸发器属于有相变流体的换热器，这类换热器无所谓顺流或逆流；内燃机的冷却水箱属于交叉流间壁式换热器的一种。

二、几种主要的换热器1.列管式换热器（图1）列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。

它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。

列管式换热器可以采用普通碳钢、紫铜或不锈钢进行制作。

在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管道中流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。

列管式换热器有多种结构形式，常见的有固定管板式换热器、浮头式换热器、填料函式换热器及U型管式换热器。

2.螺旋板式换热器（图2）螺旋板式换热器（SHE）结构简单而精密，它由两块或四块长金属薄板绕同一个中心卷制而成，板与板之间焊有定距柱，形成了两条或四条间距相同又各自完全独立的螺旋形流道。

螺旋板式换热器的流道呈同心状，同时具有一定数量的定距柱。

流体在雷诺数较低时，也可以产生湍流。

通过这种优化的流动方式，流体的热交换能力得到了提高，颗粒沉积的可能性下降。

由于流道的几何形状具有很大的灵活性，因此，螺旋板式换热器可以根据已有的条件和需求进行适当的调整。

同时，螺旋板式换热器具有比较长的单独流道，可以为许多不易处理的流体提供足够长的热交换距离，这样，流体可以在一个设备中进行完全处理，并且避免了由于流体的突然转向而产生的堵塞问题。

螺旋板式换热器采用单流道结构设计，因此采用化学方法对流道内部进行清洗具有很好的效果。

有盖板的螺旋板式换热器，盖板一般都配有钩头螺栓，以便于打开盖板，用机械方式对流道内部进行清洗。

而在处理污泥和泥浆的设备上，盖板一般都安装有脚轮或者吊架，这样可以更快捷的打开盖板。

3.套管式换热器（图3）套管式换热器以同心套管中的内管作为传热元件的换热器。

两种不同直径的管子套在一起组成同心套管，每一段套管称为“一程”，程的内管（传热管）借U形肘管,而外管用短管依次连接成排,固定于支架上。

热量通过内管管壁由一种流体传递给另一种流体。

通常，热流体由上部引入,而冷流体则由下部引入。

套管中外管的两端与内管采用焊接或法兰连接。

内管与U形肘管多用法兰连接,便于传热管的清洗和增减。

每程传热管的有效长度取4～7m，这种换热器传热面积最高达18m2,故适用于小容量换热。

当内外管壁温差较大时,可在外管设置U形膨胀节或内外管间采用填料函滑动密封,以减小温差应力。

管子可用钢、铸铁、陶瓷和玻璃等制成,若选材得当,它可用于腐蚀性介质的换热。

这种换热器具有若干突出的优点，所以至今仍被广泛用于石油、石油化工等工业部门。

4.板式换热器（图4）板式换热器属于高效换热设备。

在实际应用中有两种，一种是旋压法制造的伞板式换热器，另一种是冲压法制造的平板换热器。

其结构特点如下：1、体积小、占地面积少；2、传热效率高；3、组装灵活；4、金属消耗量低；5、热损失小；6、拆卸、清洗、检修方便；7、使用安全可靠；8、有利于低温热源的利用；9、冷却水量小；10、阻力损失少；11、投资效率高。

图1 列管式换热器原理图图2 螺旋板式换热器图3 套管式换热器原理图4板式换热器原理第二章 换热器性能综合测试实验一 、 实验目的1．熟悉板式、套管式、螺旋板式、列管式换热器的结构，掌握其传热性能及测量计算方法；2．了解和掌握套管式换热器、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.了解和认识顺流和逆流两种流动方式换热器换热能力的产别。

4.学会换热器的操作方法，掌握换热器主要性能指标的测定方法。

二、 实验原理换热器性能测试试验，主要对应用较广的间壁式换热器中的四种换热：套管式换热器、板式换热器、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、板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。

装置上的板式、套管式、螺旋板式、列管式换热器都属于间壁式金属换热器，热交换介质为冷热水。

通过换热器性能测试试验，测定并计算出换热器的总传热系数，对数平均传热温差和热平衡误差等，绘制传热性能曲线，并作比较：（1）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；并就不同换热器，两种不同流动方式，不同工况的传热情况和性能进行比较和分析。

(1) 换热器的传热方程为m t KF Q ∆=(2)热水和冷水热交换平衡方程式为cold heat Q Q =即 ,12,21()()h p h h h c p c c c G c t t G c t t -=- 式中 Q ―换热器整个传热面上的热流量 W K ―总传热系数 )/(2C m W⋅ F ―总传热面积 2mm t ∆―换热器的平均温差或平均温压 ℃ heat Q ―热水放热量 W cold Q ―冷水放热量 Wheat G 、cold G －热、冷水的质量流量 s kg / h p c ,、c p c ,―热、冷水的定压比热 )/(C kg kJ⋅ 1h t 、2h t ―热水的进、出口温度 ℃ 1c t 、2c t ―冷水的进、出口温度 ℃(3)换热器的平均温差，不论顺流、逆流都可以采用对数平均温差的形式 minmax minmax lnt t t t t m ∆∆∆∆=∆－(e=2.71828) 式中m ax t ∆―冷、热水在换热器某一端最大的温差 ℃min t ∆―冷、热水在换热器某一端最小的温差 ℃(4)以热水放热量为基准，设热水放热量和冷水吸热量之和的平均值为换热器的整个传热面上的热流量，则有2coldheat Q Q Q +=(5)热平衡误差Q Q Q coldheat －＝δ⨯100％(6)总传热系数 mt F QK ∆=(7)热、冷流体的质量流量heat G 、cold G 是根据浮子流量计读数转换而来的，可以按照以下公式换算s kg h l 000278.0＝三 、 实验设备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5所示。

换热形式为热水—冷水换热式。

图5 换热器综合实验台原理图1.热水泵2.热水泵3.热水流量计4.冷水箱5.冷水泵6.冷水流量计7.冷水顺逆流换向阀门组8.列管式换热器9. 套管式换热器 10.板式换热器 11.螺旋板式换热器换热器实验台有关结构参数见表1。

表1 换热器的结构参数换热器总传热面积（m2）电加热器功率（kW）热水泵板式列管式螺旋管式套管式自动功率W 允许水温℃0.144 0.5 1 0.14 3 90 <100四、实验设计内容：1．根据实验目标和换热器综合实验台，编写出实验工作原理和实验数据计算处理公式。

2．实验方案设计，包括实验思路、实验工况点的选择、热水进口温度大小选取、冷热水流量大小选择等。

3．实验操作步骤设计，将整个实验操作过程步骤、注意事项编写出来。

4．设计出实验数据记录表格，记录实验数据，实验数据的处理计算，并对实验结果进行分析，得出实验结论。

5．提交实验设计报告书。

五、实验步骤及记录1．实验前的准备工作(1) 熟悉实验台的工作流程和各个仪表的工作原理、使用方法，(2) 更换并安装好需要测量的换热器；(3) 按顺流或逆流方式调整好冷水换向阀门；(4) 热水箱充水至水箱容积的3/4左右，冷水箱充满，或连接好自来水进水管。

2．实验步骤(1) 接通电源，将热水箱的手动和自动电加热器全部投入使用；(2) 调整控温仪，使加热水温被控制在75℃以下的某一指定温度；(3) 当自动电加热器第一次动作以后，可切断手动电加热器开关。

这时水箱加热系统就进入自动控制温度的状态；(4) 启动冷水泵，并调整到合适流量。

经过一段时间，冷热水热交换达到相对稳定状态。

所谓稳定状态，是指利用琴键开关和温度数字显示表观测换热器冷热水的进出口温度，其不随时间变化的状态。

注意测定传热性能曲线时要改变几个冷热水的流量参数。

3.原始数据记录当状态稳定后，参考表2的模式记录相关参数。

表2 实验数据记录 换热器型式 热交换形式 测量 次数 热流体冷流体 进水1h t ℃出水2h t ℃流量heat G h l进水1c t ℃ 出水2c t ℃流量cold G h l1 2 31 2 3六 数据处理结果1 .以换热器入口和出口位置为横坐标，以温度为纵坐标，绘制换热器顺逆流温度分布简图；2 .以冷水流量为横坐标，以传热系数为纵坐标，绘制换热器传热性能曲线；3 .以热水流量为横坐标，以传热系数为纵坐标，绘制换热器传热性能曲线。

七、测量校核曲线1.换热器热水进出口温度曲线121620242832364044485256606468121620242832364044485256606468121620242832364044485256606468121620242832364044485256606468换热器热水进口温度 换热器热水出口温度Y 实际摄氏温度 （℃）X 测量摄氏温度 （℃）102030405060708090010203040506070809001020304050607080900102030405060708090换热器水箱温度Y 实际摄氏温度 （℃）X 测量摄氏温度 （℃）2040608010012014016002040608010012014016002040608010012014016020406080100120140160换热器热水转子流量计 换热器冷水转子流量计Y 实际流量 （L /h ）X 测量流量 （L/h ）八、 思考题1.你曾接触过哪些换热器，它们的结构和性能有什么区别？2.增强传热的方法有哪些？九、注意事项1.由于热水泵的性能限制，热水箱内的加热水温一般不要超过70℃；2.启动冷水泵后，当切换冷水阀门顺逆流时，要注意先打开某一对阀门通路然后再关闭另一对阀门通路，否则会使水泵出问题。