板式换热器热工与阻力性能测试及计算方法研究---优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

工学硕士学位论文 板式换热器热工与阻力性能测试 板式换热器热工与阻力性能测试 及计算方法研究 及计算方法研究 testing and calculate method study on thermal performance and flow pressure drop characteristics of a plate heat exchanger 张海泉 2006 年 6 月 国内图书分类号：tk172 国际图书分类号：628.8 工学硕士学位论文 板式换热器热工与阻力性能测试 板式换热器热工与阻力性能测试 及计算方法研究 及计算方法研究 硕 士 研究生：张海泉 导 师：姜永成副教授 申 请 学 位：工学硕士 学 科、专 业：供热、供燃气、通风及空调工程 所 在 单 位：市政环境工程学院 答 辩 日 期：2006 年 6 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 classified index: tk172 u.d.c: 628.8 a dissertation for the degree of m. eng. testing and calculate method study on thermal performance and flow pressure drop characteristics of a plate heat exchanger candidate: zhang haiquan supervisor: associate prof. jiang yongcheng academic degree applied for: master of engineering speciality: heating, gas supplying, ventilating heat transfer performance; pressure drop characteristics; rule equation - iii - 符号注释表 符号注释表符号注释表 a 换热面积，m2； p c 定压比热容，j/(kgk)； e 热流率； g 体积流量，m3/s； l 板片有效宽度，mm； p 压力，pa； q 热流体的热流量，w； s 通道截面积，m2； s y 总熵增率； q热平衡相对误差，%； p 压差，kpa； s t 由温差传热引起的熵增，j/k； 下脚标： 1进口； 2出口； c冷流体； h热流体； w壁面。 s p 由压差流动引起的熵增，j/k； m t 对数平均温差，； a 导温系数，m2/s ; b 板间距，mm； d 当量直径，m； g 重力加速度，9.807m/s2； l h 阻力损失，m； k 总传热系数，w/（m2k)； l、x 定型尺寸，m； q 热流密度，； 2 /w m t 温度，； m t 定性温度，； v 速度，m/s； 对流换热系数，w/m2； 流体密度，； 3 /kg m 流体容重，； 3 /n m 导热系数，w/m； 运动粘度， ； 2 /ms 动力粘度，； /kg m s - iv - 目录 目录目录 摘要摘要 .i abstract.ii 符号注释表符号注释表. iv 第 1 章 绪论第 1 章 绪论.1 1.1 课题来源及研究的目的和意义.1 1.2 国内外综述.1 1.2.1 换热器及传热研究的发展与动向.1 1.2.2 板式换热器的发展与研究动向.2 1.3 换热器研究中的测试技术 .3 1.3.1 温度测量.3 1.3.2 流量测量.4 1.3.3 压力测量.4 1.4 换热器传热特性的应用与研究现状.4 1.4.1 稳态法.5 1.4.2 瞬态法.6 1.4.3 热质类比法 .7 1.5 换热器的阻力特性研究 .7 1.6 换热器性能评价的应用与研究现状.7 1.7 本课题主要研究内容 .9 1.7.1 实验装置.9 1.7.2 主要研究内容 .9 第第 2 章章 测试装置与测试方法测试装置与测试方法 .10 2.1 测试原理.10 2.2 测试装置.12 2.2.1 测试装置的组成 .13 2.2.2 测试装置的特点 .14 2.3 测试技术.15 2.3.1 温度测量.15 2.3.2 压力测量.16 2.3.3 流量测量.16 - v - 目录 2.4 测试方法.17 2.5 本章小结.18 第第 3 章章 板式换热器热工性能与阻力特性计算方法板式换热器热工性能与阻力特性计算方法.19 3.1 概述.19 3.2 板式换热器的热工性能研究 .23 3.2.1 等雷诺数法 .23 3.2.2 威尔逊(e.e.wilson)法 .26 3.2.3 壁温试算法 .26 3.3 板式换热器的阻力特性研究 .28 3.4 本章小结.30 第第 4 章章 误差分析与测试计算结果分析误差分析与测试计算结果分析.31 4.1 误差分析.31 4.2 测试计算结果及分析 .34 4.2.1 热工性能.35 4.2.2 阻力特性.46 4.2.3 bb0.8 板式换热器的计算结果 .48 4.3 本章小结.49 第第 5 章章 换热器性能评价换热器性能评价 .51 5.1 热力学第一定律分析方法 .51 5.1.1 单一性能的热性能指标的方法.51 5.1.2 传热量与流动阻力损失相结合的热性能评价法 .52 5.2 熵分析法.53 5.2.1 熵分析的原理 .53 5.3 换热器的评价分析 .57 5.3.1 单一指标性能分析 .57 5.3.2 传热量与流动阻力损失相结合的性能分析 .57 5.3.3 熵分析法的性能分析 .58 5.4 本章小结.59 结论结论 .60 参考文献参考文献.61 附录附录 .66 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.75 致谢致谢 .76 - vi - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章 绪论 第1章 绪论 1.1 课题来源及研究的目的和意义课题来源及研究的目的和意义 换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备，随 着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各 国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置，换热器 因而面临着新的挑战。换热器作为一种利用能源与节约能源的有效设备，它 的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的 作用，有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达 96%。在石油化工厂中，换热设备约占总投资的 25%左右，在工业企业中占 有很重要的地位。换热器的结构与强化传热研究受到世界各国的普遍重视， 成为工程技术应用中最活跃的研究领域之一1,2,11。 实际上由于设计过程中采用某些简化或近似的方法，并且换热器换热过 程的复杂性等因素，对于设计制造而形成的新型换热器必须测定其实际的传 热性能，对于使用过的旧的换热器也需如此。所以了解与掌握换热器的试验 和掌握换热器的设计同样重要。工程上对于一台尚未使用或已使用过的换热 器，一般都是通过直接测定它的传热系数来了解其传热性能。然而，更完善 的办法应该是同时再确定换热器冷、热两侧流体的对流换热系数，以便找出 问题所在并进行改进。 1.2 国内外综述国内外综述 1.2.1 换热器及传热研究的发展与动向换热器及传热研究的发展与动向 目前世界上每年发表有关传热及换热设备方面的文献约在六千篇以上。 有关新能源开发的文章日趋增多，研究的重点是传热机理、传热强化、两相 流模拟及测试技术、计算机应用、振动、污垢以及与能源利用和环境保护有 关的新型高效换热器。对传热基础理论的研究探讨十分重视，一种新的动向 是：从数学模型和物理模型出发，用数学方法推导出精确的计算公式3。 当前换热器发展的基本动向是继续提高设备的热效率，促进设备结构的 - 1 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 紧凑性，加强生产制造的标准化、系列化和专业化，并在广泛的范围内继续 向大型化的方向发展。同时仍然注意基础理论及测试方法的研究。 近年来国内外在采用强化传热改进换热器性能、提高传热效率、减少传 热面积、降低设备投资等方面，取得了显著的成绩4。 发展基础理论是指导推进设计研究的必要前提。例如小温差传热的强化 是解决地热新能源开发的关键；污垢和防腐蚀的研究对换热器的设计、运行 有重大的影响；从相变传热研究到能量的转换及传质技术都在进行深入的研 究。 传热和换热器测试技术的研究，可以使实验分析工作进行的更精确、更 迅速。高效换热设备的研究，使得传热表面形状更加复杂，流体流动更加不 规律，因此需要更加先进的测试手段。 1.2.2 板式换热器的发展与研究动向板式换热器的发展与研究动向 目前板式换热器已成为高效、紧凑的换热设备、大量应用于工业中。它 的发展已经经历了 100 多年的历史。1878 年德国就发明了板式换热器。我 国板式换热器的研究、设计、制造，开始于 60 年代。1965 年，兰州石油化 工机械厂根据一些资料设计、制造了我国首家生产的板式换热器。现在我国 板式换热器的制造厂家有四五十家，年生产 2000 台以上5,10。 板式换热器（phe）是一种高效、紧凑的换热设备。由于在许多方面优 于管壳式换热器，所以，尽管只有百余年的历史，但发展迅速，应用领域遍 及国民经济各部门。板式换热器分为可拆卸和焊接式两大类。80 年代以 来，品种规格、密封结构、设计与制造技术等方面均有了突破性进展，发展 方向趋于“大参数、多品种、高性能” 。其中，包括耐温、耐压、耐腐蚀及 其它特种 phe。 (1)可拆卸板式换热器 板片种类繁多，但仍以人字形波纹板片为主。瑞典 alfa-laval、英 国 apv、德国 gea 和 wschmidt、法国 vicarb、日本 hisaka（日阪制 作所）以及美国 transter 等公司的产品技术先进，较有特色。 (2)焊接板式换热器 可拆卸板式换热器的应用范围除受到压力和温度的限制外，主要是流体 与密封垫片的相容性问题。因此，在高温、高压的清洁流体和有侵蚀性流体 等工况下，焊接板式换热器更具竞争性。但是，其缺点是不能（或只能局 - 2 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 部）拆开 清洗、检查和维修。该产品只有半焊式和全焊式二类6。 早期的板式换热器大多数用在牛奶灭菌或啤酒的加工中。通过应用实 践，人们加深了对板式换热器优越性的认识，随着应用领域的扩大和制造技 术的进步，使板式换热器的发展加快，目前已成为很重要的换热设备。它在 化学、石油化学工业、食品、饮料行业中；余热回收中；供热、空调和生活 热水供应中都有很广泛的应用10。 近几十年来板式换热器的技术发展，可以归纳为以下几个方面： 研究高效的波纹板片； 研究适用于腐蚀介质的板片、垫片材料及涂（镀）层； 研究提高使用压力和使用温度； 发展大型板式换热器； 研究板式换热器的传热和流动阻力； 1.3 换热器研究中的测试技术换热器研究中的测试技术 随着换热器技术开发和研究工作的进展，作为重要研究手段之一的测试 技术，也得到相应的发展。早期的研究，多采用直接计量仪表。这种简便可 靠的直接计量仪表，至今还被大量应用。由于研究课题向纵深发展和新兴科 技成果的扩大应用，利用射流、激光、热线、核磁共振等原理的新型非接触 式测量技术和仪表也发展起来了。测试技术朝着高精度、高灵敏度和自动化 的方向发展，同时还担负着解决特殊场合的测试任务4,7,23。 1.3.1 温度测量温度测量 目前，应用最广泛的仍然是玻璃温度计、热电偶、热电阻等直接接触式 测量仪表。热电偶测量温度范围广，反映比较迅速，在某些场合下测量精度 也很高，并且能远距离传送，因而应用很广。目前研究的对象主要是用于高 温、超高温和低温、超低温领域中的热电偶。利用热电阻测温，测量精度极 高，常用于中、低温范围。主要为铂、铜、镍等品种。其趋势是向高温、低 温和小型化方向发展。 非接触式测温技术是以光学测温方法为代表。它们有干涉法、纹影法、 放射性测温法。利用光学特性测定气体的温度，是近年来发展起来的技术。 其中二光子吸收法、cars法较新。激光测温法的研究还刚刚开始。尚待解 决的问题还很多，期待着进一步发展40。 - 3 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.3.2 流量测量流量测量 最常用的流量测量仪表有差压式、定压降式、速度式、容积式、电磁式 和超声波式流量计。这些仪表虽已使用多年，但仍然在不断研究、改进中。 其中的齿轮流量计，是容积式流量计的代表产品，常常作为标准流量计使 用。毕托管用来测定稳定流的平均流速最为可靠，也已经作为流量标定的标 准流量计使用。转子流量计是定压式流量计的代表，可用于小管径的管道上 测量较小的流量，它的压力损失不大。转子的读数可就地读取，也可远传。 涡轮流量计是速度式流量计的代表，它的特点是精度高、反映迅速、信号可 远传、流程范围宽、刻度线性好，此外还有能耐压和体积小等优点，因而在 工程上应用较多。热线风速仪为热性测定方法的代表，专用于没有严重阻碍 的紊流流量测定。用于流体流动研究中的电化学法可以测定流体的平均流 速、速度变化和壁面剪切应力。光学方法中，激光多谱勒流速计已得到广泛 应用，它可以测得局部流速65。 1.3.3 压力测量压力测量 压力降是衡量换热器性能的重要指标之一，不仅直接影响能量消耗，而 且，压力测定和控制对保证产品质量和安全生产也十分重要。目前应用最广 泛的仍然是弹簧管压力表、压电式、霍尔效应压力表等。这类仪表的特点是 可以远距离传送。其中，应变式压力表可测定的压力范围比弹簧管式高的 多。数字式压力表是压力仪表的发展方向之一，最早出现于美国，现在英国 已经生产 5 位数字的仪表。在国外，利用伺服技术、射流、激光等新技术的 各种压力表的研制工作也相当活跃，有的已经得到应用。 1.4 换热器传热特性的应用与研究现状换热器传热特性的应用与研究现状 在现代的大型动力和工艺装置中，稳态的对流换热过程起着重要作用， 它是间壁式换热器和具有内能源的换热器的基本换热过程。对流式换热是流 体与固体表面之间的换热过程，它是十分复杂的流体力学和传热学问题。分 析求解对流换热问题，实际上是联立求解包括由连续方程、动量方程、能量 方程和换热方程构成的微分方程组。但是，对于实际的换热过程，不论是分 析求解，还是数值求解，都具有很大的难度，有时甚至是不可能的。所以对 流换热问题经常要借助于实验求解。由于对流换热的影响因素十分复杂，因 - 4 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 此，即便是实验求解，仍有很大难度，所以，在对流换热实验中，还要借助 于相似理论12,13,14,15,16。 对流换热器实验研究的主要目标是实验求解换热系数（或努谢尔数）的 规律或求解其温度分布规律。实验求解对流换热的准则关系式，可以采用稳 态法和瞬态法两种方法。 1.4.1 稳态法稳态法 在稳态法实验研究中，有充分的时间对实验参数进行测量，对实验结果 可以进行较细致的误差分析，因此，稳态法数据有较高的可信度。稳态法包 括：牛顿换热公式直接求得法（即壁面温度测定法） 、威尔逊图解法、多参 数优化拟合法、等雷诺数法、最小二乘法等10。 1.4.1.1 牛顿换热公式直接求得法牛顿换热公式直接求得法 牛顿换热公式直接求取换热系数的方法虽原理简单、方法直观、便于数 据处理，但需要测量壁面温度，而且该方法的可靠性主要取决于壁温测量的 精确度。事实上，在紧凑式换热器中，由于受到空间位置的限制，难以安装 壁温测点；在结构形状复杂的换热表面上，由于存在温度场的畸变，也较难 选择壁温测点。同时安装工艺、测试手段也直接影响测量结果，难以保证壁 温测量精度，因此，该方法的应用受到限制。另外，运行使用中的换热器一 般事先没有采取相应的壁温测量，无从进行工业性的或运行使用条件下的实 验研究,所以实验中很少采用11,12。 1.4.1.2 等雷诺数法等雷诺数法 对于具有冷热通道几何相似的换热器，如套管换热器、板式换热器等， 在无相变换热条件下，应用等雷诺数法来获得对流换热系数是比较合适的一 种方法。等雷诺数法要求换热表面两侧流体通道几何相似，试验中两侧流体 的雷诺数相等等条件18,27。 1.4.1.3 威尔逊法威尔逊法 威尔逊法从数学上来说是通过曲线对一系列实验点的拟合，分离出换热 系数，所以是一种曲线拟合的分离法29。应用威尔逊图解法应具备以下条 件： 对所需要测定一侧的对流换热系数与实际变量的方次关系必须已知。 在同一组实验中必须保持另一侧流体的换热情况基本不变。 在同一组实验中应使污垢热阻基本不变。应用威尔逊法，在一定条件 - 5 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 下可以求取总污垢热阻。 1.4.1.4 修正的威尔逊法修正的威尔逊法 由于在威尔逊法中，它的第一个条件使我们难以将这种方法用到基本规 律还不很清楚的换热场合，而第二个条件则对试验提出了较高的要求，因此 出现了修正的威尔逊图解法，它能在满足第一、二条件下，求得某一侧的对 流换热系数。当污垢热阻已知或为零时，威尔逊图解法的两个条件已被完全 舍弃，在试验时应使影响两侧换热的主要因素同时在相当大的范围内变化， 以便获得较为满意的结果。但是，在换热规律关系式中，系数与指数过多未 知的条件下，即使用修正的威尔逊图解法也是难于求解的28,31。 1.4.1.5 多参数优化拟合法多参数优化拟合法 多参数优化拟合实验研究方法，可以在有确定的换热准则形式下，应用 优化计算，同时确定换热面两侧流体的对流换热规律及其它参数。该方法实 验过程简单，只需测量各工况下的冷、热流体进、出口温度和流量，不必进 行壁温测量，大大提高测试精度，该方法应用优化计算原理，保证最佳选择 参数和最优拟合，计算精度高，计算过程计算机程序化。为紧凑式换热器、 扩展表面换热器及其它形式换热装置的实验室研究及工业性试验研究提供了 有效途径17,30。 1.4.2 瞬态法瞬态法 目前，热交换器动态特性的研究方法主要有分析法和数值法。现有分析 法限定用于特定热交换器，或只用于工作点附近，或方程求解需很多简化， 且均未考虑流体特性随温度的变化。数值法主要优点是考虑非线性影响，且 计算准确；但它计算冗长、复杂，尤其是不能解析求出稳态点的根，无法分 析其特性，不适于大系统分析和设计。基于上述考虑，美国军方提出了适于 大系统仿真和控制的数学模型，即采用参数集结法分析热交换器11。 瞬态法由于节省时间、运行费用低等优点，越来越受到人们的重视，近 年来得到很大的发展。不论在威尔逊法或等雷诺数法，都要求能凭经验预先 确定反映放热规律的数学模型（函数形式） ，这在一定程度上影响了结果的 正确性。瞬态法的研究工作开始于三十年代。几十年来，不少学者从配比方 法、固体纵向导热效应的考虑、流体进口温度的变化规律等方面进行了改 进。近年内，国内学者在配比方法上做了较大的改进，在采用选点配比方法 中，考虑到流体出口温度的测量误差对配比结果的影响，提出根据不同工 - 6 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 况，选取不同的配比时间，既所谓“最佳配比时间”的概念，从而使测量误 差对配比结果的影响最小。 1.4.3 热质类比法热质类比法 上述各法都只能确定平均的对流换热系数。国外在五十年代后期采用萘 升华技术求取对流换热系数。七十年代，开始用于确定局部对流换热系数。 国内，近年来也开始了这方面的研究。热质类比法的原理是：先将萘在模型 中浇注成型，再按实际的换热器结构组合成试件。让与试件温度相同的、不 含萘的空气流过试件，由于萘的升华作用，构成传热面的萘片的重量和厚度 都将发生变化。通过测定实验前后萘片的重量及沿萘片表面各处的厚度变 化，气流温度、实验持续时间及空气流量等，计算出萘与空气的总质量交换 率及局部质量交换率，再根据热质交换的类比关系即可求得平均及局部的对 流换热系数。 这种方法的主要优点是能确定局部的对流换热系数，同时也无须测量壁 温，所以对进一步研究对流换热的强化会有很大的帮助。此法不足之处是， 它对试件的制作、数据的测定等都要求十分高，稍不慎将大大的影响结果的 准确性。而且，利用萘升华技术的热质类比法目前只限于用在空气换热器， 进一步的扩展应用还有待于研究11。 1.5 换热器的阻力特性研究换热器的阻力特性研究 一台热交换器的性能好坏，不仅表现在传热性能上，而且表现在它的阻 力性能上。假如两台热交换器的传热性能相同，则显然是阻力小的热交换器 更好47。板式换热器的压力降主要由三部分组成：(1)板片流道的压力降， 它除了与板型及其几何尺寸有关外，还与流道变形有关；(2)角孔通道压力 降；(3)角孔通道进板片流道和板片流道出角孔通道，这部分的压力降。由 于板片结构复杂、流程组合形式多样，所以它的压力降计算一直没有很好解 决19,34,48,64。 1.6 换热器性能评价的应用与研究现状换热器性能评价的应用与研究现状 如何评价换热器的动力性与经济性仍是世界上未能较好解决的问题。其 中经济性是指付出一定代价所获得的收益。换热器的收益是传热量 q，付出 - 7 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的代价一部分靠泵功率消耗，另一部分是当有温差传热时的可用能的损失。 但是，这二部分损失并不等价。 广义的说，热交换器的性能含义很广，有传热性能、阻力性能、机械性 能、经济性能。用一个或多个指标从一个方面或几个方面来评价热交换器的 性能问题一直是许多专家长期以来在探索的问题，目前尚在研究和改进当 中。各种评价指标已有三十多种46 。以前常见的指标如温度效率e、换热 器效率、传热单元ntu数等，强调的是传热的强化。新型紧凑式换热器并 不简单追求高的和e，而是几乎等同的重视传热与阻力。所以涌现出一些 新的指标如colburn准则j=stpr,以及j/f(f为阻力系数)等等。也有用， nu/w或ntu/w等35,36。 从热力学第二定律得知，对于热交换器中的传热过程，由于存在着冷、 热流体间的温度差以及流体流动中的压力损失，必然是一个不可逆过程，也 就是熵增过程。这样，虽然热量与阻力是两种不同的能量形态，但是都可以 通过熵的产生来分析它们的损失情况而且，随着增强传热技术的日益发 展，流阻必然增大，阻力问题日益突出。热力学第二定律与熵增问题正是把 能量的守恒、传热和流阻相结合分析的重要手段。bejan提出了熵产单元数 ns作为评定换热器性能的指标。换热器的总熵增率即为换热器每传过单位热 量时所消耗的可用能也可以用于性能评价20,23,24,25,35。 从能源合理利用的角度来评价换热器的热性能，还可以用分析法。 效率类似于熵产单元数那样从能量的质量上综合考虑传热与流动的综合影 响，而且也能用于优化设计。所不同的是，熵分析法是从能量的损耗角度来 分析，而分析法是从可用能的被利用角度来分析。但是不足之处是，它未 表示出由于摩阻与温差而产生的不可逆损失与获得的可用能之间的正面的关 系，实用上不够方便45,49,58。 前面介绍的换热器性能评价方法的共同缺点是没有把评价指标与经济性 联系起来，这对换热器性能的热经济评价显然不合理。对于工程上大量存在 的用于一般传热过程的换热器，其性能评价的出发点应该是改善换热器传热 的不可逆过程，同时考虑传热量的多少和经济性因素等等。所以，又出现了 一种叫“优化”方法11,60。在一表面式换热器中，由于不可逆性可以出现 两种耗损，一种是由于有限温差传热所造成的耗损，一种是由于流动阻 力所造成的耗损。所谓换热器的优化，就是调整设计参数，使上述两项 耗损的总和为最小。 - 8 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.7 本课题主要研究内容本课题主要研究内容 1.7.1 实验装置实验装置 本系统是用来测试板式换热器的传热性能和阻力特性的。该装置由一次 侧热媒系统、二次侧冷媒系统、被测换热器、水处理、定压系统、检测控制 系统等构成。 我国现有的板式换热器测试装置都是依据 gb164091996 的原理设计 的。这种装置热媒（一次侧）和冷媒（二次侧）是两个独立的系统。本测试 装置首次创新提出采用水-水热泵技术，把热媒和冷媒有机的结合在一起， 热泵的冷凝器作为热媒的加热器，热泵的蒸发器作为冷媒的冷却器。从而节 约了大量能源，并且提高了工作效率。采用以计算机为核心的检测控制系 统，可以充分利用计算机的数据处理能力，进行数据采集与分析计算。并且 根据一定的控制算法实现对热泵、调节阀、补偿加热器等设备的控制，从而 在保证测试精度的条件下完成所规定的每一个工况下的换热器测试，所有工 况测试完毕后，通过软件处理自动形成测试数据报告，最大程度地减轻了试 验人员的工作负担，以实现试验自动化的目标。 1.7.2 主要研究内容主要研究内容 本文的主要研究内容： 1.阐述了本换热器试验台测试原理、测试装置与测试方法。 2.由相似理论整理出描述板式换热器热工与阻力特性的准则方程，并介 绍了目前常用的计算方法。 3.在试验的基础上，运用等雷诺数法、威尔逊法等计算方法对 br0.45 板型的板式换热器进行热工性能与阻力特性的计算与分析,并且结合计算误 差进行分析，确定求取努谢尔准则方程的计算方法。 4. 根据实验结果拟合了努谢尔准则与欧拉准则方程，确定了流速与总 传热系数之间、流速与流动阻力之间的关系，并对测试结果和测试系统进行 了误差分析。 5.本文将运用热力学第一、第二定律的分析方法对被测换热器进行性能 评价与分析。 - 9 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第第2章 测试装置与测试方法章 测试装置与测试方法 为了鉴定一台新设计的热交换器能否达到预定的传热性能，或检验一台 已运行一段时期的热交换器的实际性能有何变化，或确定在改变运行条件下 的传热性能，或为了比较不同型式和种类的热交换器的传热性能的高低，常 常需要实际测定热交换器的传热系数11。为了研究换热器的性能，需要对 换热器进行各参数的测量。本章主要介绍的就是这套换热器综合测试系统的 工作原理、工作方法及试验装置。 2.1 测试原理测试原理 本试验台主要的测试对象是板式换热器。测试中采集数据的主要依据是 热平衡原理即在热流体所放出的热量与冷流体所获得的热量基本相等 （或相对误差在一定的范围内）时采集数据。 传热方程式的普遍形式为： (2-1) 0 f qk td= a 式中 ： q 热负荷，w; 热交换器任一微元传热面处的传热系数，w/(mk 2); 微元传热面积，mda 2; 在此微元传热面处两种流体之间的温差，; t 式(2-1)中的和kt都是a的函数，而且每种热交换器的函数关系都不相同， 这就使得计算十分复杂。但是在工程计算中采用如下简化的传热方程式也 已足够精确了： m qka t= (2-2) 式中： k整个传热面上的平均传热系数，(w/m2); a 传热面积，m2; 两种流体之间的对数平均温差，(); m t 板式换热器性能测试所采用的计算公式如下8,9： - 10 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 热流体流速： (2-3) / hh vgs= 冷流体流速： (2-4) / cc vgs= 热流体热流量： 12 ( hhhphhh qgctt )= (2-5) 冷流体热流量： 12 ( cccpccc qgctt )= (2-6) 热平衡相对误差： (2-7) ()/100 hcc qqqq=% 1 对数平均误差： 当 122hchc tttt时 1221 12 21 ()( ln hchc m hc hc tttt t tt tt ) = (2-8) 当 122hchc tttt 1 =时 (2-9) 总传热系数： (2-10) 1mhc ttt= 2 m k/() c kqat= 式中： a 换热面积，m2; ph c 热流体定压比热容，j/(kgk); pc c 冷流体定压比热容，j/(kgk); h g 热流体体积流量，m3/s; c g 冷流体体积流量，m3/s; 总传热系数，w/（mk 2k); h q 热流体的热流量，w； - 11 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 冷流体的热流量，w； c q 热平衡相对误差，%； q 通道截面积，ms 2; 热流体进口温度，； 1h t 冷流体进口温度，； 1c t 热流体出口温度，； 2h t 冷流体出口温度，； 2c t 对数平均温差，； m t 热流体侧板间流速，m/s； h v 冷流体侧板间流速，m/s； c v h 热流体密度，kg/m3； c 冷流体密度，kg/m3； 当热平衡相对误差小于 5%时，则可以认定系统达到平衡状态，同时进 行数据的采集。 2.2 测试装置测试装置 本装置是用来测试板式换热器的热工性能及其阻力特性，该系统的设计 和研制依据： （1） gb164091996 中换热器热工性能和流体阻力特性的测试； （2） iso31491975 换热器测试及原理； - 12 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2.2.1 测试装置的组成测试装置的组成 该装置由一次侧热媒系统、二次侧冷媒系统、被测换热器、水处理、定 压系统、检测控制系统等构成。装置的系统构成如图 2-1 所示。 热媒系统包括低位水箱、循环水泵、高位水箱、热泵的冷凝器（热媒加 热） 、被测换热器一次侧等构成一个闭式循环系统。 冷媒系统包括低位水箱、循环水泵、高位水箱、热泵蒸发器（冷却） 、 被测换热器二次侧、风冷式冷水机组等构成另一个闭式循环系统。 水处理系统是为了满足系统中设备对水质的要求而设置的。 定压系统是在板式换热器进行阻力测试时，为一侧受压时提供所要求的 压力。 检测控制系统用于测量装置中所有的热工参数：包括温度测量、流量测 量、压力和压差测量，并根据测得的数据对装置的温度、流量、压差等参数 进行控制，使之满足测试工况的要求。 图 2-1 换热器测试系统构成原理图 fig2-1 the principle of phe test system 计算机测控软件，是采用 c+builder 编程语言并参考力控组态软件编 制而成。在操作界面上可以对实时显示的测试参数进行设定，同时还可以看 到测试过程中的热平衡误差曲线以及冷热侧的温差与流量曲线。 - 13 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图 2-2 为本换热器测试台室内部分的的现场照片。 图 2-2 换热器测试系统实体 fig