换热器换热性能实验 一、实验目的 1.了解换热器的换热能力的概念： 2.了解传热驱动力的概念以及它对传热速率的影响。 二、实验装置 过程设备与控制多功能综合实验台 三、实验内容 保持热流体流量匕，及冷流体流量V,不变，改变热流体的进口温度T,测量 热流体的出口温度T,及冷流体的进出口温度4，、2，分别计算热流体放出的热量 Q,、冷流体获得的热量Q,和损失的热量△Q。并且计算出每种情况下的平均温 差△1，以平均温差△1m为横坐标，热流体放出的热量Q,和热损失△Q分别为纵 坐标作图，对所得曲线进行分析。 四、实验步骤 实验前，首先设定初始炉温，待炉温达到设定值后，开始以下步骤。 (一)实验台操作 1.打开热流体管程入口阀F1、热流体管程出口阀F2、冷流体壳程入口阀F7、 冷流体壳程出口阀F8,其他阀门关闭，使热流体走管程、冷流体走壳程： 2.打开自来水阀门灌泵，保证离心泵中充满水，开排气阀放净空气，关闭自来 水阀门。 (二)控制台操作 1.向右扳动控制台面板上的总控开关“14”，启动控制台： 2.流量自动/手动控制按钮“3”置于手动位置，压力自动/手动控制按钮“5” 置于手动位置： 3.启动组态王程序，进入实验三“换热器换热性能实验”画面： 4.向右扳动选择开关“7”，将水泵运行设置成变频启动方式（调速运行方式）： 5.按下水泵启动按钮“11”启动变频器，顺时针旋转压力调节旋钮“8”使冷 水泵开始运转，至冷水泵压力表“4”升至0.4MPa左右： 6.调节流量调节阀F6,使冷流体流量保持1.0L/s不变：
换热器换热性能实验 一、实验目的 1．了解换热器的换热能力的概念； 2．了解传热驱动力的概念以及它对传热速率的影响。 二、实验装置 过程设备与控制多功能综合实验台 三、实验内容 保持热流体流量Vt 及冷流体流量Vs 不变，改变热流体的进口温度T1，测量 热流体的出口温度T2及冷流体的进出口温度 1t 、 2t ，分别计算热流体放出的热量 Qt 、冷流体获得的热量Qs 和损失的热量ΔQ 。并且计算出每种情况下的平均温 差 m Δt ，以平均温差 m Δt 为横坐标，热流体放出的热量Qt 和热损失ΔQ 分别为纵 坐标作图，对所得曲线进行分析。 四、实验步骤 实验前，首先设定初始炉温，待炉温达到设定值后，开始以下步骤。 （一）实验台操作 1．打开热流体管程入口阀 F1、热流体管程出口阀 F2、冷流体壳程入口阀 F7、 冷流体壳程出口阀 F8，其他阀门关闭，使热流体走管程、冷流体走壳程； 2．打开自来水阀门灌泵，保证离心泵中充满水，开排气阀放净空气，关闭自来 水阀门。 （二）控制台操作 1．向右扳动控制台面板上的总控开关“14”，启动控制台； 2．流量自动/手动控制按钮“3”置于手动位置，压力自动/手动控制按钮“5” 置于手动位置； 3．启动组态王程序，进入实验三“换热器换热性能实验”画面； 4．向右扳动选择开关“7”，将水泵运行设置成变频启动方式(调速运行方式)； 5．按下水泵启动按钮“11” 启动变频器，顺时针旋转压力调节旋钮“8”使冷 水泵开始运转，至冷水泵压力表“4”升至 0.4MPa 左右； 6．调节流量调节阀 F6，使冷流体流量保持 1.0L/s 不变；
7.顺时针旋转热水泵启动旋纽“13”，启动热水泵： 8.调节热流体管程进口阀F1,同时观察实验画面，使热流体流量保持0.3L/s 不变： 9.清空数据库： 10.关闭热水泵，启动循环泵，待炉内水温均匀后，关闭循环泵，启动热水泵： 11.待冷流体的进出口温度、及热流体的出口温度T,稳定后记录数据： 12.改变炉内的温度，重复步骤10： 13.实验结束后，进入“换热器换热性能实验数据处理”程序 14.点击“导入数据”按钮，选择处理数据文件的类型为1一数据库文件，点击 “计算”按钮，进行数据计算，点击“绘图”按钮，生成实验曲线： 15.点击“导出数据”按钮，可生成实验数据文本文件，输入文件名称及文件类 型后，按“保存”按钮，保存数据文件： 16.点击“打印”按钮，打印实验数据和实验曲线： 17.点击“退出”按钮，退出实验程序。 表1实验测量结果表 序1 T V, 号 (℃) (℃) (℃) (℃) (L/s) (L/s) 1 2 3 4 5 6 表2实验计算结果表 序 0 2. △Q Ma 号 (kW (kΨ) (kW (C) 1 3
7．顺时针旋转热水泵启动旋钮“13”，启动热水泵； 8．调节热流体管程进口阀 F1，同时观察实验画面，使热流体流量保持 0.3L/s 不变； 9．清空数据库； 10．关闭热水泵，启动循环泵，待炉内水温均匀后，关闭循环泵，启动热水泵； 11．待冷流体的进出口温度 1t 、 2t 及热流体的出口温度T2稳定后记录数据； 12. 改变炉内的温度，重复步骤 10； 13. 实验结束后，进入“换热器换热性能实验数据处理”程序； 14．点击“导入数据”按钮，选择处理数据文件的类型为 1－数据库文件，点击 “计算”按钮，进行数据计算，点击“绘图”按钮，生成实验曲线； 15．点击“导出数据”按钮，可生成实验数据文本文件，输入文件名称及文件类 型后，按“保存”按钮，保存数据文件； 16．点击“打印”按钮，打印实验数据和实验曲线； 17．点击“退出”按钮，退出实验程序。 表 1 实验测量结果表 序 号 T1 （o C） T2 （o C） 1t （o C） 2t （o C） Vt （ L s/ ） Vs （ L s/ ） 1 2 3 4 5 6 表 2 实验计算结果表 序 号 Qt （kW ） Qs （kW ） ΔQ （kW ） m Δt （o C） 1 2 3
4 5 6 五、思考题 1,热量是如何损失的？怎样才能减少热量损失？ 2.在工程上，很多换热器都采用逆流工艺流程，为什么？ 3.提高换热器中流体平均温差的优、缺点有哪些？ 六、实验基本原理 换热器工作时，冷、热流体分别处在换热管的两侧，热流体把热量通过管壁 传给冷流体，形成热交换。如果换热器没有保温，则由于流体与外界环境之间存 在温度差，热量通过换热器的壁面散失到环境中，导致热流体放出的热量大于冷 流体获得的热量，形成热损失。 热流体放出的热量为： Q,=m,cm (Ti-T2) (1) 式中：Q,一单位时间内热流体放出的热量，kW; m,—热流体的质量流量，g1s: Cm一热流体的定压比热，/g·K(在实验温度范围内可视为常数)： T—热流体的进口温度，K: T,—热流体的出口温度，K。 冷流体获得的热量为： Q,=m,cm(42-4) (2) 式中：Q,一单位时间内冷流体获得的热量，kW: m,—冷流体的质量流量，g/s: cm一冷流体的定压比热，J/gK(在实验温度范围内可视为常数)： 1 一冷流体的进口温度，K: 12—冷流体的出口温度，K。 损失的热量为： △Q=Q,-Q, (3) 冷热流体间的温差是传热的驱动力，对于逆流传热，平均温差
4 5 6 五、思考题 1．热量是如何损失的？怎样才能减少热量损失？ 2．在工程上，很多换热器都采用逆流工艺流程，为什么？ 3．提高换热器中流体平均温差的优、缺点有哪些？ 六、实验基本原理 换热器工作时，冷、热流体分别处在换热管的两侧，热流体把热量通过管壁 传给冷流体，形成热交换。如果换热器没有保温，则由于流体与外界环境之间存 在温度差，热量通过换热器的壁面散失到环境中，导致热流体放出的热量大于冷 流体获得的热量，形成热损失。 热流体放出的热量为： ( ) T1 T2 Q m c t = t pt − （1） 式中 ：Qt ——单位时间内热流体放出的热量，kW ； mt ——热流体的质量流量，kg s/ ； pt c ——热流体的定压比热，kJ kg K / ⋅ （在实验温度范围内可视为常数）； T1——热流体的进口温度， K ； T2——热流体的出口温度， K 。 冷流体获得的热量为： ( ) 2 1 Q m c t t s = s ps − （2） 式中 ：Qs——单位时间内冷流体获得的热量，kW ； ms ——冷流体的质量流量，kg s/ ； ps c ——冷流体的定压比热，kJ kg K / ⋅ （在实验温度范围内可视为常数）； 1t ——冷流体的进口温度， K ； 2t ——冷流体的出口温度， K 。 损失的热量为： ΔQ = Qt − Qs （3） 冷热流体间的温差是传热的驱动力，对于逆流传热，平均温差
△12-△4 (4) 式中：△1=T-2、△2=T2-41。 本实验着重考察传热速率Q和传热驱动力之间的关系。 在实际实验中，从温度传感器到换热器入口和出口的过程中有热量损失，所 以换热器入口和出口的温度与测得的数据并非一致，要对换热器入口和出口的温 度进行修正，具体计算过程见实验二附录。在本实验中，由于测得的温度和修正 后的温度误差很小，可近似认为，由温度传感器所测得的温度即为换热器入口和 出口的温度。 注：查取各物性参数时，定性温度1为流体进、出口温度的平均值。 七、热流方向的讨论 套管换热器中，冷水在管外流动，进口温度为25℃，出口温度为60℃：热水 在管内流动，进口温度为90℃，出口温度为65℃。 逆流 441=T-4=90-60=30℃ AM,=72-4=65-25=40C 412-△4 40-30 (.e-n4/Anl4/3034.8"C 并流 4=T,-4=65-60=5℃ A42=T-4=90-25=65C 65-5 （u.hmn6si234c 十， 逆流 并流 图1逆流和并流的换热温差示意图
2 1 2 1 ln( / ) m t t t t t Δ − Δ Δ = Δ Δ （4） 式中： 1 1 2 Δt = T − t 、 2 2 1 Δt = T − t 。 本实验着重考察传热速率 Q 和传热驱动力 m Δt 之间的关系。 在实际实验中，从温度传感器到换热器入口和出口的过程中有热量损失，所 以换热器入口和出口的温度与测得的数据并非一致，要对换热器入口和出口的温 度进行修正，具体计算过程见实验二附录。在本实验中，由于测得的温度和修正 后的温度误差很小，可近似认为，由温度传感器所测得的温度即为换热器入口和 出口的温度。 注：查取各物性参数时，定性温度 mt 为流体进、出口温度的平均值。 七、热流方向的讨论 套管换热器中，冷水在管外流动，进口温度为 25℃，出口温度为 60℃；热水 在管内流动，进口温度为 90℃，出口温度为 65℃。 逆流 1 12 Δ= − = − = ° t Tt C 90 60 30 2 21 Δ= −= − = ° t Tt C 65 25 40 ( ) 2 1 2 1 40 30 34.8 ln( / ) ln(40 / 30) m t t t C t t Δ −Δ − Δ = = =° Δ Δ 逆 并流 1 22 Δ= − = − =° tTt C 65 60 5 2 11 Δ= −= − = ° t Tt C 90 25 65 ( ) 2 1 2 1 65 5 23.4 ln( / ) ln(65 / 5) m t t t C t t Δ −Δ − Δ = = =° Δ Δ 并 图 1 逆流和并流的换热温差示意图 T T T T 1 1 1 1 t 2 2 2 2 t t t 逆流 并流
由于逆流和并流时的传热系数大致相同，因此在传热量相同时，有 0 4是-K(w.正-()L234 A并 0 -(△n)34.8 0.67 K(△1m) 当两流体的进、出口温度都已确定时，逆流的平均温度差比并流大，因此逆 流所需要的传热面积比并流小。 逆流的另一优点是可以节省冷却剂或加热剂的用量。因为并流时，马总是小 于T,而逆流时，，却可以大于T,所以逆流冷却时，冷却剂的温升1-4可比 并流时大些，对传递相同的热量，冷却剂用量就可以少些。同理逆流加热时，加 热剂本身温度下降T一刀，可比并流时大些，也就是说，加热剂的用量可以少些。 由此可见，逆流常较并流为优。除非冷流体被加热的温度不得超过某一规定 温度或热流体被冷却的温度不得低于某一规定温度，采用并流较易控制等特殊要 求外，当换热器两侧流体温度均有变化时，一般尽可能采用逆流操作。当然并不 是说换热器都因是逆流，因为传热的好坏，除温度差的大小，还要考虑到影响传 热系数的多种因素以及换热器的结构是否紧凑合理等。所以实际上两流体的流 向，有时不是单纯的逆流或是并流，而是采用多种方式或比较复杂的流向
由于逆流和并流时的传热系数大致相同，因此在传热量相同时，有 ( ) ( ) ( ) ( ) 23.4 0.67 34.8 m m m m Q A K t t A t Q K t Δ Δ = = == Δ Δ 逆 逆 并 并 逆 并 当两流体的进、出口温度都已确定时，逆流的平均温度差比并流大，因此逆 流所需要的传热面积比并流小。 逆流的另一优点是可以节省冷却剂或加热剂的用量。因为并流时， 2t 总是小 于T2 ，而逆流时， 2t 却可以大于T2 ，所以逆流冷却时，冷却剂的温升 2 1 t t − 可比 并流时大些，对传递相同的热量，冷却剂用量就可以少些。同理逆流加热时，加 热剂本身温度下降T T 1 2 − 可比并流时大些，也就是说，加热剂的用量可以少些。 由此可见，逆流常较并流为优。除非冷流体被加热的温度不得超过某一规定 温度或热流体被冷却的温度不得低于某一规定温度，采用并流较易控制等特殊要 求外，当换热器两侧流体温度均有变化时，一般尽可能采用逆流操作。当然并不 是说换热器都因是逆流，因为传热的好坏，除温度差的大小，还要考虑到影响传 热系数的多种因素以及换热器的结构是否紧凑合理等。所以实际上两流体的流 向，有时不是单纯的逆流或是并流，而是采用多种方式或比较复杂的流向