热质交换课程实验指导书.doc

合肥工业大学
《热质交换原理与设备》课程实验
实验一 散热器热工性能测定
一、实验目的
1．了解在实验室环境下测定散热器热工性能的原理，掌握以热水为热媒时散热器的传热系数的影响因素及其计算公式的确定方法；
2．了解散热器热工性能实验台的构造和组成；
3．掌握相关仪表的正确使用方法。

二、实验装置
图1 实验台系统图
1、电锅炉 2、板式换热器 3、机械式热量表 4、温控阀 5、一次循环泵 6、二次循环泵 7、膨胀水箱 8、锁闭阀 9、散热器 10、蒸发式热量表
图2 散热器平面图
三、实验步骤
1．准备工作
充水：打开电锅炉进出口总阀门用自来水通过膨胀水箱向系统充水，当溢流管溢流时，关闭上水阀门。
2．启动及加热
（1）接通电源；
（2）启动循环水泵将水泵上的流量开关旋到最低档位置；
（3）接通加热器的电源使系统工作；
（4）打开球阀A,B,C。
3．实验
1．对固定流量G求出K—△T的变化曲线；
2．当各参数稳定后在指定的工况下开始测定；
3．测定时采用五分钟或十分钟读值一次，每组不少于七次，取算术平均值作为一次稳定工况，七次读值温度偏差应小于±0.1℃，并将读值记录在表格中。

四、实验数据整理
1．传热系数K的计算
在稳定状态下，流过散热器的热水散热量等于散热器散到室内的热量。
（1）水的散热量
(W)
式中：Q —— 水的散热量，W；
C —— 水的比热， C=4.187 KJ/kg.℃ ；
△t —— 散热器进出口水温差， ℃ ；
G —— 通过散热器的水流量，kg/h , G=.V；
—— 水的密度，视流量计安装位置确定对应的温度下密度值，kg/m3, 见附表一；
V —— 水的体积流量，m3/h。
（2）散热器的散热量
Q=KF△T (W)
式中：
K —— 散热器的传热系数，w/(m2.℃)；
△T—— 传热温差，℃，；
ts —— 散热器进口水温度，℃；
tr —— 散热器出口水温度，℃；
tn —— 室内参考点空气温度，℃；
F —— 散热器的散热面积，m2, F=5.64m2。
2．实验记录表格
实 验 记 录 表 格
实验日期： 20 年 月 日 时 分
散热器名称：铝合金制散热器 散热面积：5.64m2
同组实验学生： 指导教师：
序

号
工

况
体 积
流 量
V
(m3/h)
进 口
水 温
ts
(℃)
出 口
水 温
tr
(℃)
进出口
水温差

(℃)
室 内
温 度
tn
(℃)
室 外
温 度
tw
(℃)
质 量
流 量
G
（kg/h）
散热器
散热量
Q
(W)
传 热
温 差
△T
(℃)
传 热
系 数
K
(W/m2•℃)
1
Ⅰ

2
Ⅰ

3
Ⅰ

4
Ⅰ

5
Ⅰ

工况I平均

1
II

2
II

3
II

4
II

5
II

工况II平均

1
Ⅲ

2
Ⅲ

3
Ⅲ

4
Ⅲ

5
Ⅲ

工况III平均

K=A△TB
A=
B=

3．计算结果的分析与整理
根据以上三个工况实验平均值，得到传热系数与传热温差K~△T的关系式，将结果整理式如下形式：
K=A△TB
式中：A，B—— 利用最小二乘法求出的系数；
K，——同前。

式中： n —— 实验的次数；
Ki、△Ti —— 分别为各次实验所得出的传热系数值及对应的温差。

五、讨论
1．影响散热器传热系数K的因素有哪些？如何提高散热器传热系数？
2．分析实验数据中的K~△T 关系.
附表1 水在各种温度下密度 （压力时）
温 度
（℃）
密 度
（kg/m3）
温 度
（℃）
密 度
（kg/m3）
温 度
（℃）
密 度
（kg/m3）
温 度
（℃）
密 度
（kg/m3）
0
999.80
58
984.25
76
974.29
94
962.61
10
999.73
60
983.24
78
973.07
95
961.92
20
998.23
62
982.20
80
971.83
97
960.51
30
995.67
64
981.13
82
970.57
100
958.38
40
992.24
66
980.05
84
969.30

50
988.07
68
978.94
86
968.00

52
987.15
70
977.81
88
966.68

54
986.21
72
976.66
90
965.34

56
985.25
74
975.48
92
963.99

实验二 空气加热器热工性能测定
一、实验目的
1. 了解空气加热器的构造及组成；
2. 掌握空气加热器热工性能的测定；
3. 掌握空气加热器有关热量及传热系数的计算。
二、实验原理
空气加热器的类型很多，通风工程中常用的有串片式、绕片式、轧片式等。其热媒可用蒸汽或热水。
在设计空气加热器的结构时，应满足热工、流体阻力、安装使用、工艺和经济等方面的要求。最主要的是在一定的外形尺寸和金属耗量下，其空气加热器的换热量最大和空气流通的阻力最小。
经过研究结果表明，空气加热器的传热系数及空气阻力与下列几种因素有关：
1.空气加热器有效断面上的空气平均速度（m/s）；
2.空气密度(kg/m3)；
3.空气通过的管子排数及管径；
4.管内热水的流速（m/s）。
这些影响因素从理论上来确定是很复杂的，一般都是采用实验方法来确定其性能。空气加热器的传热系数及空气阻力，可由下列关系式表示：
热媒为热水时，
（kw/m2℃）
（Pa）
式中：、——经验系数，与空气加热器的结构有关；
——空气加热器有效断面上的空气流速，m/s；
——空气密度，kg/m3；
——加热器管束内热水的流速，m/s；
，，——经验指数，与空气加热器的结构有关。
热媒为蒸汽时，蒸汽在空气加热器管束中的流速对传热影响很小，可不予考虑，则其关系式为：

本实验的目的为研究上述式中、Δp与、的函数关系，确定各经验系数A、B、m、n等数值。
三、实验装置及实验方法
空气在风机作用下，流入风管，经空气加热器后排出。风量用毕托管及微压计测量。调节风机前的阀门，即可控制系统的进风量。
空气被加热前后的温度，由玻璃温度计或热电偶测得，在空气加热器前后各设一个测点。通过空气加热器的空气阻力可用微压计测量。
空气加热器的热媒为低压蒸汽，由蒸汽发生器流出后，经汽水分离器、蒸汽过热器，进入空气加热器。与空气进行冷凝换热后流出，再经冷却器回到冷凝水箱，由泵打入蒸汽发生器。
冷凝水量即进入空气加热器的蒸汽量，由重量法测得。蒸汽进出口参数有热电偶确定。
实验系统安装的空气加热器形式为：钢管绕铝片。其结构尺寸为：
散热面积F=
管道流通截面积：f=
传热基本计算公式为：

式中：Q1——空气加热器的散热量，kW；
Q2——蒸汽传给空气的热量，kW；
Q3——空气通过加热器后得到的热量，kW；
F ——空气加热器的散热面积，㎡；
tq——空气加热器蒸汽进口温度，℃；
t1、t2——空气的初温和终温，℃；
GZ——蒸汽量，kg/s；
GK——空气量kg/s；
——入口蒸汽热焓值，kJ/kg；
——出口冷凝水热焓值，kJ/kg；
Cp——空气定压比热，Cp=1.01，kJ/kg·℃。
在稳定传热状态下，Q1 =Q2=Q3，并要求其相对误差：＜5%。
空气加热器的散热量：。
空气加热器的传热系数，空气通过空气加热器的阻力Δp，可由测量空气加热器前后的静压差直接得出。
空气通过空气加热器的质量流速按下式计算：

式中，P——动压，Pa；
ρ——进口空气对应的密度，kg/m3.

实验过程中应在不同风量下，即在不同的质量流量下进行测定，一般取4～6个实验工况，每次测定均应在系统运行稳定后进行，每个工况测4次，间隔时间为5分钟。
四、实验步骤
1.实验前，先熟悉实验装置的流程、测试步骤，实验中所要调节的部件，并准备好测试仪器。
2.给电加热锅炉加水，使水位达到玻璃管水位计的上部。（注意：水位不得低于水位计管的1/3处，以免烧毁电加热管。）若水位不够，可给锅炉补水。步骤为：启动水泵电源开关，打开锅炉下部的进水球阀向其补水，水位达到接近水位管的上部时，关闭阀门，切断水泵电源。
3.将电加热锅炉上面的蒸汽出口阀关闭。接通电加热器总电源，依次合上电加热器的开关，并将可调电加热器开关调至200V左右的位置进行加热。观察锅炉上压力表和温度计的值，使其达到所要求的温度。注意：压力不得超过0.35MPa，否则应立即关掉电源。
4.当温度达到所要求的值时，打开蒸汽出口阀门，同时打开冷却水阀门，并控制冷却水出口温度，应降至不烫手。打开冷凝水箱上部的流量调节阀，由于锅炉的蒸发量一定，所以调节阀不宜开启过大，流量（蒸发量）＜8kg/h。
5.排出凝结水位管内的空气，观察水位，使水位稳定，以保持进入空气加热器内的蒸汽量恒定。
6.调节蒸汽过热器的电压，使空气加热器入口处的蒸汽过热度为2～5℃，以保证蒸汽的质量。
7.待系统稳定后，实验测定方可进行，测量并记录所有实验参数，直至这一工况结束。改变工况，并检查锅炉水位，进行下一工况。
8.所有实验工况测定结束后，关闭锅炉及过热器的开关。风机继续运行5分钟后关闭，最后关闭总电源。
五、实验结果整理
首先计算各测定工况的Q、K值，然后进行数据处理，得出有关公式中的常数。
将及等式两边分别取对数得：

按实验顺序列出个方程式求解A、B、m、n等值。

例：由实验得出下列各数值，求各关系值。
NO

K
lg(vρ)
lgK
1
2
3
7.21
6.30
11.0
21.8
23.1
25.38
0.585
0.949
1.042
1.338
1.364
1.404

∑lg(vρ)=2.489
∑lg(K)=4.106
4
5
6
13.25
15.10
17.45
26.9
28.2
29.3
1.122
1.79
1.242
1.43
1.45
1.467

∑lg(vρ)=3.543
∑lg(K)=4.347
联立解上下两边方程式：
∑lg(K)=3lgA+n∑lg(vρ)
即上边 4.106=3lgA+n×2.849 （1）
下 边 4.347=3lgA+n×0.694 （2）
（1）-（2） 0.241=n×0.694 则得n=0.347
把n值代入（1）式
得 4.106=3lgA+0.347×2.849
lgA=1.039 则A=10.94
故得所求的方程式为
K=10.94(vρ)0.347
同理求出 Δp=B(vρ)m的关系式。
最后根据实验结果加以分析。
六、讨论
1．影响空气加热器传热系数K和压降Δp的因素有哪些？ 如何优化两者？
2．若实验数据不理想，请分析原因.

实 验 记 录 表 格
实 验 日 期： 20 年 月 日 时 分
散热面积F= 2.93m2 管道流通截面积：f = 0.24×0.24m2
同组实验学生： 指导教师：
工况
锅炉温度
过热温度
蒸汽入口温度
蒸汽出口温度
空气进口温度
空气出口温度
毕托管读数p
空气
加热器压降
凝结水量
质量
时间
固定蒸汽流量，改变空气流量
1

2

3

4

5

工况
空气流速

(m/s)
空气质量流量

GK
(kg/s)
蒸汽入口焓值

(kJ/kg)
出口饱和水焓值

(kJ/kg)
蒸汽质量流量

GZ
(kg/s)
传热温差

ΔT
(℃)
蒸汽传出的热量

Q2
(kW)
空气得到的热量

Q3
(kW)
空气加热器传热量

Q1
(kW)
传 热
系 数

K
(W/m2•℃)
1

2

3

4

5

A=
n=

B=
m=

10