翅片管换热器实验指导书

* 空气水热交换器实验 * 指导说明书 同济大学热能实验室 陈德珍 2000 年 1 月 第一部分第一部分 空冷器空冷器实验实验台系台系统说统说明明 本实验台是上海交通大学开发、针对换热器课程的教学要求而设计的科教产品。所用的换热器为一较小的 间壁式换热器，空气水作为介质，实验台由独立的风源，热水源，温度控制器等组合而成，有较大的灵活性， 以后还可发展冷却塔性能试验。 一、实验台组成、系统、设备及仪表 实验台系统的简图见图 1，主要由风源、热水源、可控硅温度控制器组成。且各自独立，有较大的灵活性。 主要性能： 1.风源：风机：电机：400w，三相 380v 风量：800m3/h 风压：60mmH2O 出风口尺寸：200135mm 吸风口配二只可叠套的橡胶收缩风口，测速段处直径分别为 D1=120mm 及 D2=60mm, 2.热水源：水箱尺寸：445245575mm 水泵：电机：120W 单相 220v 流量：1.5m3/h 压头：12mH2O 加热器：3KW 220V 3 只 转子流量计：LZB-25 60-600L/h 3.可控硅温度控制器：TA-092 PID 调节仪 ZK-03 三相可控硅电压调整器 最大输出功率 10KW 铂电阻温度传感器 BA2 0100 可控硅 3CT 20A/1000V 电源：三相 380V 4.试验用换热器 实验所用的间壁式换热器为一较紧凑的翅片管式散热器，由铜管束套带皱折的铝整 体翅片构成，见图 2。 主要参数： 管束：紫铜管 管径：d0=10mm d1=8mm 节距 横向：s1=45mm 纵向：s2=13mm 翅片： 铝制、皱折、整片 片厚：=0.1mm 片节距： t=2.6mm 试件总体尺寸： 水侧：横向管数： n1=3 纵向管排数： n2=8 总管数： n=n1n2=24 水通道并联管子数： 即 n1=3 管子总长度：L=an=0.224=4.8m 通道面积：Fw=n1d1d1/4 =1.50810-4 气侧：通道尺寸：a=200mm b=130mm h=116mm 翅片数：m=76 通风面积：Fa=ab=0.0272m2 传热总面积： Aa= 2 0 2 011 24 . 2 )(2) 4 1 (mndmamndhSn 特征尺寸：Da=4V/Aa=4abh/Aa =40.20.1360.116/2.24 =5.6mm 整个风源设计紧凑，风箱用塑料制成，出风口线型及大的收缩比，保证空气在换热器进口截面处有均匀流 速。吸风口、调风口、整流栅、毕托管紧凑地组合在一起，为了适应不同风量测量的需要，用二只直径不同的 可叠套使用的橡胶收缩风口，选用方便。 试验用换热器是放置在出风口上，拆换方便。风箱制成水密形式，需要时可更换试验件作冷却塔填料性能 试验。 热水源水箱用不锈钢制成，水泵、流量计、调节阀、回流管路、加热器组合紧凑。 风源、热水源、温度控制器各自独立，移动方便，可充分发挥各自的功能。 翅片管散热器试验时，水-空气流可按逆流连接。空气-水进出口温度用铜康铜热电偶测量，水温测 点 tw1,tw2直接放置在二联箱进出口。进口空气温度 ta1,测点装在紧靠换热器的进出口截面处，换热器出口通道加 一均温段，再用均不的九对热电偶并联测量出口空气温度 ta2热电偶接线见图 3，冷端放入冰瓶内，同过一转换开 关，用电位差计测量 tw1、tw2、ta1、ta2 各温度。 用毕托管测定吸风口收缩段处流速，以确定空气流量，大流量时用收缩段直径 D=120mm 的吸风口，小流量 时用直径 D=60mm 的吸风口，再用调风门改变风量。 水流量通过调节阀控制，用转子流量计测量。 第二部分第二部分 实验实验内容及安排内容及安排 一、实验目的 借助该实验台，学生可以组织一间壁式换热器的试验，能够达到以下几方面。 1测定间壁式换热器的传热系数； 2了解换热器的工作性能，熟悉间壁式换热器的热工计算方法； 3进一步可确定该换热器气侧换热面的传热特性，即传热因子与雷诺数之间的关系； 4熟悉流体流速、流量、温度等的测量，以及对实验数据的处理。 二、实验内容及数据处理 1测定换热器传热系数及其变化规律 热水在管内流动，放热量 Qw. Qw=MwCpw(tw1-tw2) (w) (1) 空气流过管束外侧，吸热量 Qa Qa=MaCpa(ta2-ta1) (w) (2) 以 Qa、Qw间热平衡误差10%的数据认为有效，并按平均值作为其换热量 Q. =（Qw-Qa）/Q *100% Q=(Qw+Qa)/2 (w) (3) 水-空气按逆流方式工作，传热系数 K K=Q/Aatm (w/m2) (4) 以上各式中： tw1、tw2-水进出口温度； () ta1、ta2-空气进出口温度； () Mw、Ma-水、空气的质量流量; (Kg/S) Cpw、Cpa- 水、空气的比热; (J/Kg) tm- 平均温差，()；其计算如下： 12 21 1221 ln )()( aw aw awaw m tt tt tttt t Aa-气侧换热总面积。 () 空气流速变化对传热系数 K 的影响较大，水流速度及水温变化对传热系数也有影响。为了了解空气流速及 水流速度对传热系数的影响，可藉温控器保持相同的水温，并维持一定的水流量，改变不同的空气流量进行试 验，可得出某水温、水流速条件下传热系数随空气流速的变化规律。 2确定气侧换热面的传热规律，既传热因子 J 与雷诺数 Re 之间的关系 该换热器的传热元件为带翅片的圆管，换热器热阻由以下几部分组成。 （5） a AFa d d FWa i a i w r l r ldKA 1 2 ln 11 11 0 其中： rFw、rFa-为水侧和气侧的污垢热阻；(/W) w、a-为水侧和气侧换热系数； （W/） -气侧的肋壁效率； -管壁导热热阻；（/W） dl i d d 2 )ln( 0 在试验设备新投入使用时，可忽略污垢热阻， （5）式可简化为： （6） aa d d wi AlldKA i 1 2 )ln( 11 0 其中：1/KA 由本实验确定，即： 1/KA=tm/Q (7) 水侧换热系数 w，按水在管内流动的换热准则方程，由计算确定。 由（6）式即可求出气侧换热表面的热阻 1/（aAa）值。 气侧换热面的换热规律可用 J 和 Re 关系表示。 传热因子 J 可用折算换热系数 A=a 来定义。 （8） 3 2 Pr pa A CG J 雷诺数 Re 的计算为： （9） Ha e DG R 其中特征尺寸 DH可用下式定义 DH=4V/Aa (m) (10) V 为气侧通道所占体积：V=abh (m3) Aa为与空气接触的表面积，即气侧表面积 () Ga为空气质量流速，可采用下式计算： (Kg/s) a a a F M G 即用空气流至换热器的迎面质量流速，来定义雷诺数。 采用上述 J 及 Re 的定义法，数据处理及使用结果亦比较方便。 试验工况可安排在不同的空气流量下进行（为什么？） ，水温及水速可不受限制。将各工况所测结果按上述方 法计算出相应的 J 与 Re，然后绘在双对数纸坐标上，即得出其 JRe 变化规律。此部分内容要求同学们自己完成。 三实验步骤及注意事项 实验步骤： 1接通可控硅温控器电源，设定热水加热温度，对水加热 10 分钟。 2开启回水阀，打开水泵，调节流量。 3开启风机，将风门调至所需开度。 4待水温及水流量稳定后，读取有关数据。 5改变工况，稳定 5 分钟后再读取另一工况的数据。 注意事项： 1热水温度一般设置在 7080 2水流量一般选在 250350L/h 左右 测传热系数 K 时，维持恒定的水流量，改变不同的空气流速进行测量。 欲测气侧传热因子 J 与雷诺数 Re 关系时，改变不同的空气流速，可相应适当调节水流量。 3用不同收缩口直径的吸风口，并调节风门开度，以获得不同的空气流量。 4因为可控硅温控器对水温的控制有 12的波动，会对读数和实验结果造成一定影响，可用调压器替代 可控硅温控器以保证进口水温的稳定。 5注意为什么本实验采用改变风量的方法来测量传热因子 JRe 曲线。如果采用改变水侧流量的方式来测 取水侧 JRe 曲线，会有什么现象？ 四实验及结果整理 要求由学生自己编制实验大纲，完成实验。大纲要求包括试验对象、试验原理、试验设备及测量系统、试 验工况选定、数据记录表格、数据处理等。然后自己组织试验，再完成实验报告。时间上安排二次，第一次了 解试验台装置并编制实验大纲，第二次再进行试验。教师只就试验原理作简单介绍，提出编制大纲的要求。 附表一为数据记录表格的参考格式。 附表二、三为数据处理及整理的参考格式。 另要求： 1. 将传热系数 K 随空气质量流速 Ga 的变化规律在方格纸上用坐标图表示。 2. 将气侧换热面的传热因子 J 与雷诺数 Re 间的关系在方格纸上用坐标图表示。 附表 1 空气-水换热器实验数据记录及计算结果 实验完成人： 序 号 参数名称符号单位计算公式及来源工况 1工况 2工况 3工况 4工况 5 1管翅换热面积Aa Aa=2.24 2水进口温度tw1 测量值 3水出口温度tw2 测量值 4水进出口温差 twtw= tw1tw2 5水容积流量VL/h由转子流量计读出 6水密度 w1/ 根据 tw1 查表 7水比热CPW KJ/ 根据（tw1+tw2）/2 查表 8水质量流量mw /s mw =（V/3600）w1 9水侧放热量QwW mw CPWtw 10空气进口管面积F F=（/4）D2 11空气进口温度ta1 测量值 12空气出口温度ta2 测量值 13空气进出口温差 tata= ta1 -ta2 14大气温度ta 由温度计度出 15空气密度 a1/ 根据 ta 查表 16空气比热CPa KJ/ 根据（ta1+ta2）/2 查表 17来流空气动压 h Pa由微压计读出 18来流空气速度Vam/s 1 81 . 9 2 aa hV 19空气流量ma /sMa= Vaa1 F 20空气侧吸热量QaW Qa=maCpata 21热平衡误差 =(Qw-Qa)/ Qa 22平均换热量QW Q=(Qw+Qa)/2 23对数平均温差 t )( )( ln )()( 12 21 1221 aw aw awaw tt tt tttt t 24传热系数K W/K= Q/( Aat) 附表 2 水管内外换热系数的计算 实验完成人： 工 况序 号 参数名称符号 单位 计算公式及来源 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 换热器传热热阻 1/KA /W =t/Q 2质量流速 Gw Kg/*s =mW /Fw 3定性温度 tW =(tw1+tw2)/2 4动力粘度 Kg/m*s 查表 5导热系数 W/m* 查表 6普朗特数 Pr / 查表 7雷诺数 Re / =Gwdi