顺逆流热交换实验

热工综合实验报告学院：机械学院专业：能源与环境系统工程姓名（学号）：1141440056韦声1141440057冯铖炼实验原理：本实验是通过间壁式换热器进行传热实验，即冷、热两种流体分别在固体壁面两侧流动，两流体不直接接触，通过固体壁面进行传热。1.测定从传热系数h由于换热器内的冷热空气的温度和物性是变化的，因而在传热过程中的局部传热温差和局部传热系数都是变化的，工程计算中，在沿程温度和物性变化不是很大的情况下，通常传热系数K和传热温差△tm均可采用整个换热器上的对数平均值，因此，对于整个换热器，传热速率方程可写为Q=h∙A∙△tm即：h=𝑄𝐴∗△𝑡𝑚式中：Q-传热速率，W;A-换热器的传热面积，m2；△tm-换热器两端的对数平均温差，℃；h-总传热系数，W/m2･℃。2.传热效率Q的计算热空气传热量：Q1=m1*cp1*(T1-T2)冷空气传热量：Q2=m2*cp2*(t1-t2)考虑到冷空气走换热器的壳程，壳程的外表面存在热损失，因此上传热速率应以热空气侧来计算。故Q=Q1式中:Q1、Q2-热空气、冷空气传热速率，W；m1、m2-热、冷空气的质量流量，kg/h；T1,T2-热空气的进、出口温度，℃；t1,t2-冷空气的进、出口温度，℃；cp1,cp2-冷、热空气的定压比热，J/kg･℃，分别根据热、冷空气的定性温度T性、t性查得，其中：𝑇性=𝑇1+𝑇22𝑡性=𝑡1+𝑡223.对数平均温度差△tm的计算△tm=△𝒕𝟏+△𝒕𝟐𝒍𝒏△𝒕𝟏△𝒕𝟐其中：逆流时：△t1=T1-t2△t2=T2-t1顺流时：△t1=T1-t2△t2=T2-t14．热空气质量流量m的计算V=C√△𝑃∗1000𝜌式中：V——热空气的体积流量，m3/h；C——孔板流量计的校正系数,本实验中，C=1.6889；ΔP——孔板两侧差压变送器的读数，kPa。本实验中，可根据空气的温度和压力，应用理想气体状态方程来进行计算，即：ρ=𝑀𝐴∗(𝑃+△𝑃)𝑅∗𝑇式中：MA——空气的摩尔质量，kg/kmol；本实验中，MA=29.0kg/kmol；P0——大气压，kPa；P0=101.3kPa；R——通用气体常数，kJ/(kmol·K)；本实验中，R=8.314kJ/(kmol·K)；T——孔板处空气温度，K。R——通用气体常数，kJ/(kmol·K)；本实验中，R=8.314kJ/(kmol·K)；M=Vρ实验步骤1．连接电源，开启电源总开关，电源指示灯亮，观察各电压表的示数是220V。运行“THXHR-5”监控工程，通讯成功后，开始准备实验。2．全开阀F6，启动无纸记录仪，在手动(M)调节状态下，将加热调节的比例输出操作值MV设为40。启动热风机、空气加热器。3．逆流实验：全开阀F3、F4，关闭阀F2、F5、F7，启动冷风机，调节阀F1、F3，将流量调节至40m3/s。4．等待2min，记录下当前实验数据。5．按照步骤4，固定冷、热空气流量，取5组实验数据，将数据记录下来6．顺流实验：全开阀门F2、F5，关闭阀门F3、F4、F7；通过控制阀F1和F2控制冷空气进入换热器的流量为40m3/h左右。7．重复步骤4和5，并记录相应数据。8．实验结束后，将无纸记录仪上的调压模块的比例输出设为0，依次关闭“空气加热器、冷风机、热风机、无纸记录仪、电源总开关”，整理实验台。实验中遇到的问题1.多组实验数据误差过大，运行情况不够稳定，也许是由于设备开机时间还不够长，流场还未稳定，设备温度还未到底理想温度。2.进入热交换器的冷测流体温度不够低，这是因为冷风机产生的热量未能及时排出，导致冷测空气吸热，温度升高。3.实验数据受外界因素影响过大，不同时间点测得数据差异较大，所以每组数据得出的换热系数的不确定度都比较大。4.实验中出现冷空气入口处的压力随时间会逐渐升高，这很有可能和实验设备的构造有关。5.由于设备构造，设备内空气的气压较低，导致空气密度小，从而影响换热的效率。实验数据处理顺流实验数据时间2016/09/12冷空气压力PI101（kpa）热空气压力PI102（kpa）冷空气流量FI01（m3/h）热空气入口温度TI105（℃）热空气出口温度TI105（℃）顺流-冷空气入口温度TI102（℃）顺流-冷空气出口温度TI102（℃）20：35：35764076.964.444.755.120：39：24864077.164.345.055.220：45：43964077.264.744.655.220：49：269.564077.265.344.355.220：54：021064077.265.444.155.2平均值8.764077.164.844.555.2顺流实验我们一共测量了将近10组数据，但是很多数据由于误差过大所以没有采用，以上是相对误差比较小的5组。从这些数据中我们可以看到冷空气压力一直在升高，有些甚至超调现象，我们认为出现这种现象是因为设备启动后内部流场还没有稳定。相比而言，空测空气就没有出现类似现象，这一点我们还没有很好的解释。热空气体积流量可以根据孔板差压表给出的数据通过计算得出ρ=𝑀𝐴∗(𝑃+△𝑃)𝑅∗𝑇=1.02kg/m3V=C√△𝑃∗1000𝜌=49.3𝑚3/ℎ热空气质量流量m=50.286kg/h通过热交换器的热空气的定性温度：T性=(T1+T2)/2=70.95℃=344.1K查的该温度下空气的比热容：Cp=1.008Kj/(kg･℃)计算得出顺流实验中热空气的换热率：Q=m*cp*(T1-T2)=623.5W逆流实验数据记录表时间2016/09/12冷空气压力热空气压力冷空气流量热空气入口温度热空气出逆流-冷空逆流-冷空气出PI101（kpa）PI102（kpa）FI01（m3/h）TI105（℃）口温度TI105（℃）气入口温度TI102（℃）口温度TI102（℃）10：27：29754067.751.141.648.410：29：1675.54073.456.14249.210：31：0275.54076.959.24249.310：32：4075.54079.161.242.24810：34：3475.54081.260.442.249.1平均值75.44075.7458.1242.6248.8逆流实验中没有出现顺流实验中冷测气压不断升高的现象，可能是由于在采集数据的时段内设备运行处于稳态，内部流场稳定。热空气体积流量可以根据孔板差压表给出的数据通过计算得出ρ=𝑀𝐴∗(𝑃+△𝑃)𝑅∗𝑇=1.02kg/m3V=C√△𝑃∗1000𝜌=46.3𝑚3/ℎ热空气质量流量m=47.226kg/h通过热交换器的热空气的定性温度：T性=(T1+T2)/2=66.93℃查的该温度下空气的比热容：Cp=1.007Kj/(kg･℃)计算得出逆流实验中热空气的换热率：Q=m*cp*(T1-T2)=837.95W从计算出的传热量中可以很清楚的看出逆流过程的换热量比顺流过程大很多。思考题1.为什么实验过程中冷、热流体的换热量会不同？答：设备保温效果不理想，冷空气有更多热量被空气吸收。2.为什么冷风机出口处的气压会随时间增长？答：可能是由于设备刚启动，内部流场还没有稳定，导致一些部位局部压力过大。3.为什么热风机出来的热空气气压远远低于大气压？答：因为热风机出口不远有排风口，流失部分空气和压力。实验心得本次实验，我见识到了热交换器顺流和逆流形式传热的差异，虽然设备不能保证数据的精确性，但是两种流动形式之间的差异还是能过通过数据体现出来。最可惜的就是本次实验没能用足够的时间等待设备进入稳定状态后采集数据，导致许多数据不能被采用。原本应该是一个采取多组数据提高精确度的实验，最后变成了换热效果的单变量时间函数。这有点不符合实验目的，但是却让我更好的理解了设备的特点和传热实验的约束。