换热器的操作及传热系数的测定
一、实验目的
1．了解换热器的结构；
2．掌握换热器主要性能指标的标定方法；
3．学会换热器的操作方法。
二、实验原理
在工业生产中换热器是一种经常使用的换热设备。
它是由许多个传热元件（如列管换热器的管束）组成。
冷、热流体借助于换热器中的传热元件进行热量交换而达到加热或冷却任务。
由于传热元件的结构形式繁多，由此构成的各种换热器之性能差异颇大。
为了合理的选用或设计换热器对它们的性能应该要充分的了解。
除了文献资料外，实验测定换热器的性能是重要途径之一。
换热器是一种节能设备，它既能回收热能，又需消耗机械能。
因此，度量一个换热器性能好坏的标准是换热器的传热系数K 和流体通过换热器的阻力损失Δp 。
前者反映了回收热量的能力，后者是消耗机械能的标志。
因此．在组织换热器的性能测定时，需要安排上述两方面的内容。
1．传热系数K
速率方程式为：m t A K Q ∆⋅⋅=，式中：
t m m t t ∆⋅∆=∆ε逆
1
2211221ln )()t T t T t T t T t m -----=∆（逆 而Q = q V ρCp Δt = q V ρCp ( t 2 - t 1 )
换热系数K 是冷流体侧的传热面为基准的传热系数。
即：),(h c G G f K = m
c h h c c A A A A K λδαα+⋅+=11 符号说明：
K 传热系数，W/m 2.K ；
α 流体的给热系数，W/m 2.K ；
A 换热器的传热面积，m 2；
Qv 流体的体积流量，m 3/s ；
Cp 流体的恒压热容。
j/kg.K ；
T 热流体温度，℃；
t 冷流体温度，℃；
Δt 传热温度差，K 。
t ε∆ 传热平均温差的修正系数，全逆流时t ε∆=1，对于单壳程双管程或二管程以上的t ε∆值可从录附计算方法中求得。
λ 固体壁导热系数，W/m.K ；
δ 固体壁厚度，m 。
由传热速率方程式可知：影响传热量的参数有传热面积A ，传热系数K 和过程的平均温度Δt m 三要素。
当生产工艺决定了流体的进出口温度后，传热负荷的变化是随流体的流速变化而变化。
分析传热阻力的控制因素，用改变流体的流率或改变流体的进口温度，能较方便地满足生产工艺的要求。
2．流体流动的阻力损失
由流体力学知：
22
u p ⋅⋅=∆ρξ
式中：Δp 流体通过管道的阻力损失，Pa ；
u 流体在换热器管道中的流速，m/s 。
3．换热器的操作和调整
换热器的热负荷发生变化时，需通过换热器的操作，以完成任务。
由传热速率方程式知，影响传热量的参数有传热面积，传热系数和过程的平均温度差三要素，由热量衡算方程知，由于换热器的热（或冷）流体的进、出口温度，不能随意改变。
在操作时的调节手段只能改变冷（或热）流体的流量和进口温度。
热（或冷）流体的进、出口温度由生产工艺决定。
传热负荷的变化是由热（或冷）流体流速变化所致。
由图1知，若冷（或热）流体流速的变化率相同，则仅能维持平均温差相同，不能满足热负荷变化的要求。
若传热阻力受冷（或热）流体控制，采用较大的冷（或热）流体的变化率，使传热系教和平均温差同时发生变化，以达到热负荷变化的目的。
若传热阻力受热(或冷）流体控制，应该采用调整冷（或热）流体的进口温度；使平均温差增加或减少，从而满足热负荷变化的要求。
按照上述的操作原则进行调整，能较
方便地满足生产工艺的要求。
图1 逆流换热的操作线和推动力
四、实验装置示意图及流程
主要设备：单壳程双管程列管式换热器，气体加热器，气源，转子流量计，玻璃水银温度计。
实验装置如图所示。
由气源送来的空气经气体流量计计量后进入气体加热器。
被加热的热空气走双管程。
来自自来水管的冷水经水流量计计量后走单壳程，与管程的热空气换热后，入下水道。
热空气由出口排出。
冷热流体进出口温度由安装在进出口管路上的玻璃水银温度计测量。
图2 实验流程示意图
五、实验步骤
1、准备：
将气体及液体管路连接以后，打开气体及液体转子流量计，检查管路连接处有否液体泄漏，若无，即可调试。
2、预热：
分别将气体及液体转子流量计打到调试所需流率，打开电源开关，用变压器将电压表调至220V，这时，加热量最大。
当热空气温度升至约90℃时，用变压器将电压表调至150V左右，减小加热量。
使热空气进口温度保持稳定。
3、测试：
预热后，用微分方式改变加热量的大小，电压表的电压在1~2V间变化，使热空气进口温度稳定在某一值，约数分钟，冷水出口温度不变时，读下第一组数据，它们是：热空气进口温度T1，热空气出口温度T2，冷水进口温度t1，冷水出口温度t2。
随后，改变冷水流量（空气流率），保持空气流率（冷水流量）不变，读得T1、T2、t1、t2四数组数据。
每改变一次冷水流量和空气流率，必须待热空气的进口及冷水出口温度稳定后，再读取数据。
空气流率改变后，加热量随之改变。
六、实验操作原则及内容
(一).实验操作原则：
1．先开水，后开气源，开气源后才可开加热，以免电阻丝烧坏。
2．做完实验后应先关加热源，等气体温度降低至60℃后，方可关闭气源。
3．每改变一次冷水流量和空气流率，必须待热空气的进口及冷水出口温度稳定后，再读取数据。
空气流率改变后，加热量随之改变。
(二).实验内容：
1．测定水–空气在常用流速范围内的传热系数。
2．先设定一种操作条件，待达到定态操作后，再增加热(或冷)流体流量50%，并维持热(或冷)流体进出口温度不变。
你认为采取的措施并在实验中实施。
七、实验数据处理中注意事项说明：
1．计算式Q=qv.ρ.Cp. Δt 中，物性参数依据流量计所在位置流体温度查。
Cp 依据定性温度t m =（t 1+t 2）/2查。
2．气体流量须-按室温，风机风压，按理想气体方程校正。
3．传热推动力t m m t t ∆⋅∆=∆ε逆的校正因子t ε∆按下式计算：
)1(2ln )1(11ln
R R P R P R P
R t '++-'⋅-⋅--⋅'=∆ε 式中：2121t t T T R --= 12+='R R 1
112t T t t P --= 4．传热量Q 以冷水（走管程）获得的热量为基准。
八、实验数据处理结果的讨论及要求
1．K 值随着气体流率的增加而增加，符合《化工原理》所述。
2．由于气体一侧的α2远小于液体α1一侧，故传热阻力主要在气体一侧α2，故实验时，改变气体流量对K 值影响大。
3．由于液体的密度、热容远大于气体的，因而液体侧的扰动与误差对实验结果的影响明显。
调试时液体在小流量范围（60~20 L/H ）内变化。
这样，气体流量改变时，液体的出口温度变化较大，读数误差影响较小。
4．列表表示冷（热）流体流量变化后，传热量、传热平均推动力及传热系数的变化情况。
并可得到什么结论？
（2）按实验内2的实施结果。
九、思考题
1．在实验中有哪些因素影响实验的稳定性？
2．影响传热系数K 的因素有哪些？
3．在传热中，有哪些工程因素可以调动，你在操作中主要调动哪些因素，应如何着手？。