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月第一部分空冷器实验台系统说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：200×135mm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：445×245×575mm水泵：电机：120W单相220v流量：1.5m3/h压头：12mH2O加热器：3KW220V3只转子流量计：LZB-2560-600L/h3.可控硅温度控制器：TA-092PID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BA20~100℃可控硅3CT20A/1000V电源：三相380V4.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=10mmd1=8mm节距横向：s1=45mm纵向：s2=13mm翅片：铝制、皱折、整片片厚：δ=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=n1×n2=24水通道并联管子数：即n1=3管子总长度：L=a×n=0.2×24=4.8m通道面积：Fw=n1×π×d1×d1/4=1.508×10-4㎡气侧：通道尺寸：a=200mmb=130mmh=116mm翅片数：m=76通风面积：Fa=a×b=0.0272m2传热总面积：Aa=20201124.2)(2)41(mndmamndhSn特征尺寸：Da=4V/Aa=4×a×b×h/Aa=4×0.2×0.136×0.116/2.24=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。第二部分实验内容及安排一、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=Mw×Cpw×(tw1-tw2)(w)(1)空气流过管束外侧，吸热量QaQa=Ma×Cpa×(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KK=Q/Aa·△tm(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：12211221ln)()(awawawawmttttttttt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。aAFaddFWaiaiwrlrldKA12ln11110（5）其中：rFw、rFa------为水侧和气侧的污垢热阻；(㎡℃/W)αw、αa-----为水侧和气侧换热系数；（W/㎡℃）η-------气侧的肋壁效率；dlidd2)ln(0------管壁导热热阻；（℃/W）在试验设备新投入使用时，可忽略污垢热阻，（5）式可简化为：aaddwiAlldKAi12)ln(110（6）其中：1/KA由本实验确定，即：1/KA=△tm/Q(7)水侧换热系数αw，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/（αa·ηAa）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αA=αaη来定义。32PrpaACGJ（8）雷诺数Re的计算为：HaeDGR（9）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=a×b×h(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：aaaFMG(Kg/㎡•s)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J~Re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70~80℃2．水流量一般选在250~350L/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1~2℃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J~Re曲线。如果采用改变水侧流量的方式来测取水侧J~Re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51管翅换热面积Aa㎡Aa=2.242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△tw℃△tw=tw1—tw25水容积流量VL/h由转子流量计读出6水密度ρw1㎏/㎡根据tw1查表7水比热CPWKJ/㎏·℃根据（tw1+tw2）/2查表8水质量流量mw㎏/smw=（V/3600）×ρw19水侧放热量QwWmw×CPW×△tw10空气进口管面积F㎡F=（π/4）×D211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△ta℃△ta=ta1-ta214大气温度ta℃由温度计度出15空气密度ρa1㎏/㎡根据ta查表16空气比热CPaKJ/㎏·℃根据（ta1+ta2）/2查表17来流空气动压△hPa由微压计读出18来流空气速度Vam/s181.92aahV19空气流量ma㎏/sMa=Va×ρa1×F20空气侧吸热量QaWQa=ma×Cpa×△ta21热平衡误差△△=(Qw-Qa)/Qa22平均换热量QWQ=(Qw+Qa)/223对数平均温差△t℃)()(ln)()(12211221awawawawttttttttt24传热系数KW/㎡℃K=Q/(Aa×△t)附表2水管内外换热系数的计算实验完成人：序号参数名称符号单位计算公式及来源工况1234567891011121换热器传热热阻1/KA℃/W=△t/Q2管内水侧质量流速GwKg/㎡*s=mW/Fw3定性温度tW℃=(tw1+tw2)/24动力粘度μKg/m*s查表5导热系数λW/m*℃查表6普朗特数Pr/查表7雷诺数Re/=Gwdi/μ8努谢特数Nu/=9换热系数αWW/㎡*℃=Nuλ/di10管外空气侧表面热阻1/αaηAa℃/W=1/KA―1/πdiιαW―ιn(d0/di)/2πλι11折算换热系数αAW/㎡*℃=αaη12定性温度ta℃=(ta1+ta2)/213动力粘度μKg/m*s查表14比热容CpJ/Kg*℃查表15普朗特数Pr/查表16质量流速GaKg/㎡*s=ma/Fa17传热因子J/18雷诺数Re/=GaDH/μ