换热器性能综合测试实验.docx
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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，传热系数是度量英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%50Hz
2.工作环境：
温度-10°C〜+40C：
相对湿度V85%（25*0；海拔V4000m
3.装置容星:
：
＜4kVA
4.套管式换热器：
换热面积0.14m:
5.螺旋板式换换热器：
换热面积lm：
6.列管式换热器：
换热面积0.5m：
7.钎焊板式换热器：
0.144m'
8.电加热器总功率：
＜3.5kW
9.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虽:
，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。
诸如为髙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；热电厂锅炉上的髙温过热器是以輻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岀，这称为壳程。
列管式换热器有多种结构形式，常见的有固左管板式换热器、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，板与板之间焊有左距柱，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，同时具有一立数量的定距柱。
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淸洗具有很好的效果。
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涓洗。
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I；形肘管，而外管用短管依次连接成排，固泄于支架上。
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，便于传热管的淸洗和增减。
每程传热管的有效长度取4〜7m,这种换热器传热而积最高达18m2,故适用于小容量换热。
当内外管壁温差较大时，可在外管设宜U形膨胀肖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）
5.
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、占地而积少；2、传热效率髙；3、组装灵活；4、金属消耗量低；5、热损失小：
6、拆卸、淸洗、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汁算方法：
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苴性能的差别。
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左方法。
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。
英中，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，测左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（或流呈：
）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
Q=KF4,”
（2）热水和冷水热交换平衡方程式为
Qheat_Qcoid
即GhcP.h（5-3=GfpC（tc2-tcl）
式中0—换热器整个传热而上的热流量W
K一总传热系数W/（m2-aC）
F—总传热而积m2
△⑴一换热器的平均温差或平均温压9
一热水放热量W
Qcold-冷水放热量W
Ghg、G讪宀一热、冷水的质量流量kg/s
如、cpc-热、冷水的建压比热kJ/（kg-°C）
tM、th2-热水的进、出口温度9:
、「2一冷水的进、出口温度°C
（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
式中
△=4“林@二2.71828）
Ar
Armax-冷、热水在换热器某一端最大的温差r
△人询一冷、热水在换热器某一端最小的温差°C
（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而
上的热流量，则有
5/27
（5）热平衡误差
O—O
3=heatcoldxlOO%
Q
（6）总传热系数K=—J
F'g
（7）热、冷流体的质量流^Gheal.G讪孑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l]h=0.000278kg/s
三、实验设备
本实验装巻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
水一冷水换热式。
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lo
表1换热器的结构参数
换热器总传热面积（mJ
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。
C
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讣算处理公式。
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.设计岀实验数据记录表格，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°C以下的某一指泄温度：
（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左状态。
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，苴不随时间变化的状态。
注意测左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g・c
出水
流量
G讼/〃7
进水5
°C
出水
Q°c
流量
G讹l/h
1
2
3
1
2
3
六数据处理结果
1.以换热器入口和出口位垃为横坐标，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
X测量摄氏温度（疋）
X测呈摄氏溫度
（°C）
X测量流量（L/h）
入思考题
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7（rc；
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。
3.实验结束后首先关闭电加热器，再然后关闭冷、热水泵，5分钟后切断全部电源。
第二章具体实验指导书
实验一套管式换热器性能测试
一、实验目的
1、熟悉套管式换热器的结构。
2、了解套管式换热器的工作原理。
3、掌握套管式换热器传热性能的测量计算方法。
4、测定套管式换热器的总传热系数，对数平均传热温差及热平衡误差。
5、绘制套管式换热器传热性能曲线。
6、掌握套管式换热器顺流/逆流对传热性能的影响。
二、实验原理
1、套管式换热器的结构及换热原理
套管式换热器是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-起组成同心套管，每•段套管称为“•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（图屮a）。
热量通过内管管壁由-种流体传递给另•种流体。
通常，热流体（A流体）由上部引入，而冷流体（B流体）则由下部引入。
禺咎犬涣色器的结构
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，便于传热管的清洗利增减。
每程传热管的有效长度取4〜7米。
这种换热器传热面积最高达18米〔故适用于小容量换热。
肖内外管壁温差较大时，可在外管设置U形膨胀节
（图中b）或内外管间采用填料函滑动密封（图中C），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右油、石油化工等工业部门。
它的主要优点是：
（1）结构简单，传热面积增减自如。
因为它由标准构件组合而成，安装时无需另外加工。
（2）传热效能高。
它是•种纯逆流型换热器，同时还可以选取合适的截面尺寸，以提高流体速度，增大两侧流体的给热系数，因此它的传热效果好。
液-液换热时，传热系数为870〜1750W/（m=-°C）。
这」点特别适合于高压、小流量、低给热系数流体的换热。
套管式换热器的缺点是占地面积大：
单位传热面积金属耗量多，约为管壳式换热器的5倍；管接头多，易泄漏；流阻大。
为增大传热面积、提高传热效果，可在内管外壁加设各种形式的翅片，并在内管中加设刮膜扰动装置，以适应高粘度流体的换热。
2、套管式换热器数据计算
（1）换热器的传热方程为
Q=KF九
（2）热水和冷水热交换平衡方程式为
即（6„-th2）=Gccpc（tc2-tcl）
式中Q—换热器整个传热面上的热流量，W
K—总传热系数，W/（m2-°C）
F—总传热面积『
△g—换热器的平均温差或平均温压，。
C
05—热水放热量，w
2闹—冷水放热量，“
Gheai、G讪d—热、冷水的质量流量，kg/S
Cp.h、Cpc-热、冷水的定压比热，kJ/（kg-°C）
th［、tb2-热水的进、出口温度，。
C
5、心一冷水的进、出口温度，°C
（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，其公式为
0—A/・z、
4=_^nax——（e=2.71828）wAr
In
式中bnwc-冷、热水在换热器某一端最大的温差，°C
△Gm—冷、热水在换热器某一端最小的温差，°C
以热水放热量为基准，设热水放热量和冷水吸热量Z和的平均值为换热器的整个传热面上的热流量，则有
q_Qheat+Qcold
Q2-
（4）热平衡误差方程为
O—o
5=旦竺_匕竺x]00%
Q
（5）总传热系数方程为
K=-^~
7
（6）热、冷流体的质量流量G/“、是根据流量计读数转换而来的，可以按照以下公式换算：
///?
=0.000278kg/s
三、实验步骤
进行套管式换热器性能测试实验时必须按照以下步骤进行，否则极有可能损坏实验设备。
1、将水泵进口处的过滤器螺母拧开，取出过滤器里而的过滤网，将过滤网放到淸水中洗去上面的污物，以防过滤网上污物太多，堵塞热水和冷水管路系统。
淸洁完成后，将过滤网放回过滤器中，利用扳手将过滤器螺丝拧紧，以防漏水。
2、检査冷水管及热水管上的阀门，使苴处于最大的开启状态，以防管路不通。
3、将冷水箱和热水箱里加满水。
热水泵工作时，出水口有水流出，此时热水箱水面应位于加热管以上，且距加热管至少10cm。
冷水泵工作时，出水口有水流岀，此时冷水箱水而应位于水泵进水口以上，且距水泵进水口至少15cm。
4、检查冷水箱及热水箱里的水，水质需淸洁，不能有污物及沉淀。
5、检査插座电源是否正确，确保电源不会缺相。
然后将装置电源插头插到插座上。
6、实验台接通电源，将漏电保护器开关拨到接通的位置。
7、将装置控制而板上的顺/逆流开关拨到顺流的位巻，将套管式换热器的旋钮开关打到启动的位置，同时将加热器1，加热器2,加热器3启动，使加热器开始工作。
8、等水箱里的水温度达到40度左右时，启动冷水泵及热水泵，使水路进行循环。
9、等温度达到动态的平衡时，开始记录数据，可记录多组数据进行数据处理。
10、顺流试验完成后，转动面板上的顺/逆流切换开关，使套管式换热器的换热方式改为逆流换热，然后重复记录数据。
11、实验过程中可以通过调节冷水及热水管道上阀门的开度大小来调巧系统的水流量，从而改变装置的换热量，测定不同状态下装置的各项参数。
12、实验完成后，关闭热水及冷水循环水泵，将套管式换热器族钮开关打到停止的位置，将顺/逆流切换开关打到停止的位置，切断装置电源。
13、将装巻热水箱及冷水箱的排水阀门接通，使装置内的水排出，以防长时间不用而损坏设备。
四、实验数据处理
1、根据所记录的实验数据，il•算套管式换热器的总传热系数、对数平均传热温差及热平衡误差。
2、根据所记录的实验数据，绘制套管式换热器传热性能曲线。
3、根据所记录的实验数据，分析套管式换热器顺流/逆流对传热性能的影响。
五、实验注意事项
1、装宜水泵运转时，需排除水泵内的气体，否则水泵不能正常运转。
具体做法是：
在水泵处于运转状态下，利用内六角螺线刀将水泵上部的内六角螺丝拧松，观察螺丝孔内是否有气泡冒出，等螺丝孔内无气泡冒出时，使用内六角扳手将螺丝拧紧。
2、做逆流实验时，换热器冷水部分岀口及进口温度正常显示。
做顺流实验时，换热器冷水部分出口及进口温度需进行交换读取。
实验二螺旋板式换热器性能测试
一、实验目的
1、熟悉螺旋板式换热器的结构。
2、了解螺旋板式换热器的工作原理。
3、掌握螺旋板式换热器传热性能的测量计算方法。
4、测定螺旋板式换热器的总传热系数，对数平均传热温差及热平衡误差。
5、绘制螺旋板式换热器传热性能曲线。
6、掌握螺旋板式换热器顺流/逆流对传热性能的影响。
二、实验原理
1、螺旋板式换热器的结构及换热原理
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•个中心卷制而成，板与板Z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。
螺旋板换热器的特点如下：
（1）流道内容易形成湍流
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，而颗粒沉积的可能性下降。
（2）流道内不易堵塞
由于螺旋板式换热器采用了单流道结构，因此在处理易沉枳流体、粘稠流体和含有颗粒的流体吋，它-般是主流选择。
这是由于螺旋板式换热器本身具有自清洁功能，这样在阻塞没有完全形成Z前，已经被流体冲洗干净。
（3）流道长度形状灵活，适应各种流体
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己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•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。
（4）可直接安装在塔顶，实现多级冷凝
螺旋板式换热器的另-个突出特点是它可以被焊接或是用法兰连接在塔顶成为塔顶冷凝器，这样还可以实现多级冷凝。
由于使用螺旋板式换热器可以减少管道连接，因此相关的安装费用也降到了最低。
同时，甫于我们的产品既可以采用自己的设计方案，也可以使用传统的Rosenblad方案，因此客户在选择替换己有的产品时，可以根据自己不同的情况来选择方案，这样客户就不需要进行过多的管线调整。
可以明显的降低费用。
（5）无泄漏，降低工作危险
螺旋板式换热器的另•个特点是从螺旋形流道的中心到壳体全部是由连续不断的金属薄片卷制而成，这样就完全避免了由于存在不易处理的焊缝而产生的泄漏危险。
因此它可以用来处理敏感的、不稳定的危险流体。
（6）结构紧凑，占用空间少
由于螺旋板式换热器的流道呈同心状环绕，这种设计使得换热器的结构紧凑，占用空间大大减少。
据统计，在处理相同的流体吋，使用螺旋板式换热器所占的空间仅是传统列管式换热器的六分Z•,所以，螺旋板式换热器可以在多种条件下使用并能降低客户的安装费用。
（7）清洗方便
螺旋板式换热器釆用单流道结构设计，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-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•般都安装有脚轮或者吊架，这样可以更快捷的打开盖板
2、螺旋板式换热器数据计算
（1）换热器的传热方程为
Q=KF九
（2）热水和冷水热交换平衡方程式为
即（6„-th2）=Gccpc（tc2-tcl）
式中Q—换热器整个传热面上的热流量，W
K—总传热系数，W/（m2-°C）
F—总传热面积『
△g—换热器的平均温差或平均温压，。
C
05—热水放热量，w
2闹—冷水放热量，“
Gheai、G讪d—热、冷水的质量流量，kg/S
Cp.h、Cpc-热、冷水的定压比热，kJ/（kg-°C）
th［、tb2-热水的进、出口温度，。
C
5、心一冷水的进、出口温度，°C
（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，其公式为
0—A/・z、
4=_^nax——（e=2.71828）
wAr
In
式中bnwc-冷、热水在换热器某一端最大的温差，°C
△Gm—冷、热水在换热器某一端最小的温差，°C
以热水放热量为基准，设热水放热量和冷水吸热量Z和的平均值为换热器的整个传热面上的热流量，则有
q_Qheat+Qcold
Q2-
（4）热平衡误差方程为
O—o
5=旦竺_匕竺x]00%
Q
（5）总传热系数方程为
K=-^~
7
（6）热、冷流体的质量流量G/“、是根据流量计读数转换而来的，可以按照以下公式换算：
///?
=0.000278kg/s
三、实验步骤
进行螺旋板式换热器性能测试实验时必须按照以下步骤进行，否则极有可能损坏实验设备。
1、将水泵进口处的过滤器螺母拧开，取出过滤器里而的过滤网，将过滤网放到淸水中洗去上面的污物，以防过滤网上污物太多，堵塞热水和冷水管路系统。
淸洁完成后，将过滤网放回过滤器中，利用扳手将过滤器螺丝拧紧，以防漏水。
2、检査冷水管及热水管上的阀门，使苴处于最大的开启状态，以防管路不通。
3、将冷水箱和热水箱里加满水。
热水泵工作时，出水口有水流出，此时热水箱水而应位于加热管以上，且距加热管至少10cm。
冷水泵工作时，出水口有水流出，此时冷水箱水而应位于水泵进水口以上，且距水泵进水口至少15cma
4、检査冷水箱及热水箱里的水，水质需淸洁，不能有污物及沉淀。
5、检査插座电源是否正确，确保电源不会缺相。
然后将装置电源插头插到插座上。
6、实验台接通电源，将漏电保护器开关拨到接通的位置。
7、将装置控制而板上的顺/逆流开关拨到顺流的位麗，将螺旋板式换热器的旋钮开关打到启动的位置，同时将加热器1，加热器2,加热器3启动，使加热器开始工作。
8、等水箱里的水温度达到40度左右时，启动
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