传热平台实验

传热平台实验 毕啸天 分0 2010011811 实验时间：2012年10月18日 实验1.毕啸天肖艺涵 颜怀宇 实验2.刘晓畅，孔小雨，化学的谁 实验3.徐皓，宁博，莫唯书 地点：传热实验室 一、 实验目的 1. 了解板式、列管换热器的结构特点，比较两种换热器总换热系数K的大小，为开发新型换热器提供参考。 2. 比较列管换热器并、逆流时对总传热量大小的影响。测定流量改变对总传热系数的影响，并分析哪一侧流体流量是控制性热阻，如何强化换热过程。

二、 实验原理 间壁式换热器的总传热系数K(W/m2·℃)表示单位面积、单位温度差下单位时间的传热量。它的大小取决于两侧流体的物性、流速、流动状况以及管壁及污垢热阻等因素。金属间壁热阻很小，倘若是新换热器，污垢热阻也很小，这样对于已确定冷热流体物料来说。传热系数K的大小就主要取决于壁面两侧的传热膜系数α，与流体的流速、湍动程度相关。其表达式可简化为：

21111

K

(1)

当流速增大或湍流程度增大时，决定传热速率的主要热阻的层流内层减薄，传热膜系数α增加，总传热系数K也增加。 以逆流操作为例，又有热量衡算式为：

)()(12222111ttCpWTTCpWQ(2)

式中：Q—热负荷，W； T1,T2—热流体进出口温度，℃； t1,t2—冷流体进出口温度，℃； W1,W2—热、冷流体质量流量，kg/s； Cp1,Cp2—热、冷流体定压比热，kJ/㎏·℃。 由上式可以看出，若热、冷流体流量W1、W2不变，当传热量Q升高时，热流体进出口温差必将增加，冷流体进出口温差也将增加，若冷、热两种流体的进口温度保持一定，则进出口处传热温差Δt1、Δt2将降低，由积分结果可知，Δtm亦将降低。 传热速率方程为：

mtAKQ（3） 式中：Q—传热量，W； K—总传热系数，W/m2·℃； A—传热面积，m2； Δtm—平均温差，℃。

由上式可知，当流速增大或湍动程度增加时，传热系数K将增加。当然增加流速会带来能量损失的增加，因此要经济权衡，确定适当的流速。列管式换热器管程可通过增加程数来提高流速，壳程则可以利用折流板来提高流速和湍动程度。新型板式换热器是由许多金属板平行排列而组成的，板面冲压成凹凸的规则波纹，以促进流体湍动并增加传热面积。它的优点是总传热系数高，结构紧凑，单位体积提供传热面积大。 三、 实验装置与流程 3.1 实验装置

如图1所示，装置由热油釜，齿轮油泵，水罐，离心泵，板式及列管换热器组成。其实验体系为白油－水。白油在热油釜内加热升温后，经齿轮油泵打入换热器，与来自水罐的水进行换热。被冷却后经涡轮流量计计量，返回到热油釜中，釜内设有电热棒，为使釜内油温均匀，并提高釜内控热效果，釜中装有涡轮式搅拌桨，并设有釜温自控仪表，搅拌充分后，循环使用。水罐中的水由离心泵输出经涡轮流量计计量后，打入换热器的另一侧。与油换热升温后，一部分热水经小涡轮流量计计量后排出体系。其余大部分热水返回至水罐与补充进来的新鲜自来水充分混合，使水温降至一个恒定的设定温度，循环使用，温度由补充新鲜自来水的量或排出系统的热水量所决定。水罐设有液位自控仪表，以确保排出系统的热水与补充进来的新鲜自来水相等。 在装置中设计了并联联接的板式与列管换热器，可切换操作使用。可进行两种换热器换热性能的比较。在并联两换热器的进出口的汇总管道上设有测温点和测压点。列管换热器设有既可逆流，又可并流操作的切换阀门。板式换热器本身已规定了的物料进出口，只可逆流操作。 热油与循环水的流量分别由变频仪调节，并经涡轮流量计计量。热油釜与水罐的搅拌转速也可用变频仪调节。 设备参数： 列管换热器：传热面积A=0.3m2，管径d=8×1mm，管数n=38根，管长0.5m，壳程D=108×35mm，三块折流板。 板式换热器：由6×0.05m2=0.3m2组装而成，板面为人字形波纹。 齿轮泵型号：FX-2型 离心水泵型号：DFLH25-20型 热油釜有3根1.3KW电热棒 白油物性：μ40=15cp；ρ50℃=0.82g/cm3；Cp=0.5kJ/kg·℃

3.2 实验步骤 （1）打开水泵、油泵及数字面板； （2）控制阀门的开闭，将管路调节为套管式换热； （3）等待一段时间至面板示数大致稳定后读数； （4）将管路调节为列管、板式，重复以上实验步骤。

四、 原始数据 套管换热面积0.18m2，裂管、板式均为0.3m2。 表1. 传热平台实验原始数据 水流量 (m3/h) 油流量 (m3/h) 水进口 温度(℃) 水出口 温度(℃) 油进口 温度(℃) 油出口 温度(℃) 套管 0.38 0.91 19.8 21.2 57.2 55.4

列管逆流 0.45 1.06 21.1 23.4 56.3 53.6

列管并流 0.33 1.05 22.5 25.2 55.7 53.4

板式 0.31 0.73 24.5 34.2 53.8 44.1

五、 数据处理 （1）套管式逆流 水温：19.8→21.2，油温55.4←57.2。

℃36221257℃63581945521..tΔ...tΔ，。

故℃78351212.tΔtΔlntΔtΔtΔm

水的定性温度5202221819...tc℃。 从手册中查得此温度下水的比热容KkJ/kg1834.cp，密度3kg/m1998.ρ。

由)(c1c2vpm-ttρqctΔKA得mc1c2vptΔA-ttρqcK)(，其中2m180.A

KW/m89578351803600819221380199810183423...)..(...K （2）列管式逆流 水温：21.1→23.4，油温53.6←56.3。

℃℃93222125753221...tΔ.tΔ，。

故℃70321212.tΔtΔlntΔtΔtΔm

水的定性温度25222423121...tc℃。 从手册中查得此温度下水的比热容KkJ/kg1814.cp，密度3kg/m6997.ρ。 由)(c1c2vpm-ttρqctΔKA得mc1c2vptΔA-ttρqcK)(，其中2m30.A

KW/m1227032303600121423450699710181423..)..(...K （3）列管式并流 水温：22.5→25.2，油温53.4←55.7。

℃℃53022125793021...tΔ.tΔ，。

故℃70302121.tΔtΔlntΔtΔtΔm

水的定性温度85232225522...tc℃。 从手册中查得此温度下水的比热容KkJ/kg1804.cp，密度3kg/m2997.ρ。

由)(c1c2vpm-ttρqctΔKA得mc1c2vptΔA-ttρqcK)(，其中2m30.A

KW/m112730303600522225330299710180423..)..(...K （4）板式 水温：24.5→34.2，油温44.1←53.8。

℃℃61922125761921...tΔ.tΔ，。故℃619.tΔm

水的定性温度35292234524...tc℃。 从手册中查得此温度下水的比热容KkJ/kg1754.cp，密度3kg/m9995.ρ。

由)(c1c2vpm-ttρqctΔKA得mc1c2vptΔA-ttρqcK)(，其中2m30.A

KW/m591619303600524234310999510175423..)..(...K 表2.换热器K值 套管式 列管逆流 列管并流 板式 K(W/m2K) 95.8 122 122 591 六、 实验注意事项 （1）传热平台实验中需要仔细研究管路构造，防止开关错阀门； （2）平台加热装置只能加热，没有自反馈装置，无法设定温度。当温度高于55℃后需要手动关闭加热开关，以稳定温度。 （3）当水位计示数降到150以下时，要注意补水。

七、 思考题 6.1举例说明日常生活中有哪些传热设备？其原理各是怎样的？ 例如暖气。其原理如下：利用锅炉烧出蒸汽或热水，通过管道输送到建筑物内的暖气片中，然后流回锅炉重新加热、循环。暖气片内的高温水或蒸汽通过对流传热与铸铁换热，铸铁将热量传导至外壁，外壁与室内空气对流换热，从而使室温增高。 又如空调。其原理基于卡诺循环：等温压缩、绝热压缩、等温膨胀、绝热膨胀。等温压缩吸热，等温膨胀放热。在室内外循环这四个步骤即可以达到制热或是致冷的效果。

6.2强化传热的手段有哪些？工业上对于具体换热器都可采用什么强化传热手段（例如列管、板式、空冷、凉水塔…）？ （1）增大传热面积。通常从设备结构入手，如采用小直径管、螺旋管、波纹管等。 （2）增大平均温差。例如提高饱和水蒸气的压强，尽可能使用逆流或接近逆流换热。 （3）增大传热系数。可以增大流速以减弱污垢的形成；提高流速加大雷诺数，从而增加给热系数；设计特殊的传热壁面，增大湍动程度。 列管：它的单位体积的换热面积大，结构紧凑。常在顶盖内加隔板，将全部管子平均成几组，流体每次只能流过一组管子，即改装成多管程热交换器。如此操作提高了流体的流速，从而提高了传热系数。为了提高壳程流体流速，往在壳体内安装一定数目与管束相垂直的折流挡板或称折流板。既可以提高流速，又可改变流动方向，迫使壳程液体循规定的路径流过，多次错流流过管束有利于管外传热系数的增大。此外挡板还可减小流动的死区，防止污垢的沉积。 板式：利用人字形波纹板，既增加了板的刚度以防止板片受压时变形，又使流体分布均匀，增强了流体湍动程度，加大了传热面积，有利于传热。 空冷：空冷器通过空气和软化水间壁换热，其中有高导热性能的传热管，组合后形成很高的热流密度，所以该装置冷却效率很高。使用空气连续换热，将热量传到空气中，清除了积热，满足了感应加热系统温度的要求。空冷器中还使用翅片管。因为管内侧水的换热很强，对流换热系数大约5800 W/(m2℃)，而如果不加翅片，管外空气侧换热系数仅仅120 W/(m2℃)，总传热系数K就很低，加了翅片以后，K就可以一下子提高几倍，达到700（钢管），1100（复合管），这是增强换热最有效、最经济的途径。 凉水塔：塔内热水在雾状条件下与进风交换热量，由于塔内风阻很小，加上合理的风筒与风叶设计，使气水比提高，塔内风场合理、蒸汽分压低、壁流少等原因，使本塔的降温效果良好。

八、 感想 本实验操作比较简单，关键在于看清管路的走向、阀门的控制。像列管式只需要简单的四个阀门就完成了逆流与并流的转换，十分巧妙。装置全部都由数控，只需要读数记录即可。但是可能由于散热较快，示数不是很稳定，我们都只能迅速读数。而且数控电路中没有设置反馈调节，所以无法设定控温，感觉这一点很不科学。 另外，我也用油的数据计算了结果，但是发现与水的结果相差甚远！我觉得应该以水的