(15)--化工原理实验报告_螺旋板换热器传热系数测定.doc

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1、实验四 螺旋板换热器传热系数测定一、实验目的1 熟悉螺旋板式换热器的结构和基本工作原理2 测定螺旋板式换热器内热水和冷空气间的传热系数二、实验原理 螺旋板式换热器如图所示，它是由两张间隔一定的平行薄金属板卷制而成的。两张薄金属板形成两个同心的螺旋型通道，两板之间焊有定距柱以维持通道间距，在螺旋板两侧焊有盖板。冷、热流体分别通过两条通道，通过薄板进行换热。螺旋板式换热器的优点是螺旋通道中的流体由于惯性离心力的作用和定距柱的干扰，在较低雷诺数下即达到湍流，并且允许选用较高的流速，故传热系数大；由于流速较高，又有惯性离心力的作用，流体中悬浮物不易沉积下来，故螺旋板式换热器不易结垢和堵塞；由于流体的流

2、程长和两流体可进行完全逆流，故可在较小的温差下操作，能充分利用低温热源；结构紧凑，单位体积的传热面积约为管壳式换热器的3倍。其缺点是：操作温度和压力不宜太高，目前最高操作压力为2MPa，温度在400以下；因整个换热器为卷制而成，一旦发现泄漏，维修很困难。常用的螺旋板式换热器，根据流动方式不同，分为四种：（1）型螺旋板式换热器两个螺旋通道的两侧完全焊接密封，为不可拆结构，如图（a）所示。换热器中，两流体均作螺旋流动，通常冷流体由外周流向中心，热流体由中心流向外周，呈完全逆流流动。此类换热器主要用于液体与液体间的传热。（2）型螺旋板式换热器一个螺旋通道的两侧为焊接密封，另一通道的两侧是敞开的，如图

3、（b）所示。换热器中，一流体沿螺旋通道流动，而另一流体沿换热器的轴向流动。此类换热器适用于两流体流量差别很大的场合，常用作冷凝器、气体冷却器等。（3）型螺旋板式换热器型螺旋板式换热器的结构如图（c）所示。换热器中，一种流体做螺旋流动，另一流体做兼有轴向和螺旋向两者组合的流动。该结构适用于汽体冷凝。 （4）G型螺旋板式换热器G型螺旋板式换热器的结构如图（d）所示。该结构又称塔上型，常被安装在塔顶作为冷凝器，采用立式安装，下部有法兰与塔顶法兰相连接。汽体由下部进入中心管上升至顶盖折回，然后沿轴向从上至下流过螺旋通道被冷凝。本实验在螺旋板式换热器中的一侧是热水冷却，一侧是冷空气被加热情况下的传热系数

4、的测定，两流体通过间壁的传热过程是由热流体对管壁对流管壁热传导管壁对冷流体的对流所构成的串联传热过程，利用串联热阻的关系，即可导出总传热系数K的计算式。其值可由总传热速率方程计算： 其中式中：传热速率，W；传热面积，m2；对数平均温度差， 、分别为热水的进、出口温度，分别为冷空气的进、出口温度，。通过螺旋板换热器间壁的传热速率，即冷空气通过换热器被加热的速率，用热量衡算式求得： 式中：冷空气的质量流量，kg.s-1；冷空气的定压比热，取进出口流体温度的算术平均值下的比热，k.（kg.k）-1；三、实验装置图3 . 螺旋板换热器实验装置流程示意图本实验装置流程图如图3所示。实验用螺旋板换热器的换

5、热面积为0.8m2。四、实验步骤1. 实验开始时，先打开仪表电源和热水恒温槽控温电源；2. 等到热水温度指示为5960C时，打开水泵电源，调节水流量至150L/h，运行一段时间，使管路系统达到热稳态；3. 打开气泵电源开关，调节仪表柜上的旋钮，空气阀和空气稳压罐上的排空阀，将空气流量调至10m3/h，稳定一段时间，记录水与空气的进、出口温度。调节空气流量，共做68个点。4. 固定空气流量为30m3/h，调节水流量，做68个点。关闭气泵电源，恒温水槽加热电源，水流调节阀，关闭离心泵，关闭仪表柜总电源。五、实验数据表实验测定了水流量恒定在150L/h，空气流量改变的条件下，水与空气的8组进、出口温

6、度。水的平均温度为48.550.7C，查附录得rw=988.5 kg/m3，Cpw=4.174 kJ/(kgC)。空气的平均温度为32.739.75C，查附录得ra=1.141kg/m3，Cpa=1.005kJ/(kgC)。25C时空气的密度ra=1.185kg/m3。表1. 实验测定数据与处理结果水流量 150L/h空气T1T2TmDTQ1t1t2tmDtQ2DtmK1050.646.448.54.20.72223.342.132.718.80.059914.65.131550.947.349.13.60.61923.544.834.1521.30.101813.09.792051.147.

7、849.453.30.56723.846.134.9522.30.142112.114.72551.348.049.653.30.56724.046.935.4522.90.182311.619.63051.548.249.853.30.56724.747.736.223.00.219810.825.43551.848.850.33.00.51626.548.837.6522.30.24869.6232.34052.149.250.652.90.49929.249.639.420.40.25998.4238.64552.249.250.73.00.51629.849.739.7519.90.2

8、8528.9839.7空气流量 30m3/h水T1T2TmDTQ1t1t2tmDtQ2DtmK5052.149.9512.20.12630.750.140.419.40.1837.6030.17552.149.450.752.70.23130.850.140.4519.30.1827.4430.610052.549.150.83.40.38930.850.040.419.20.1817.8728.712552.649.250.93.40.48730.950.040.4519.10.1808.0528.015052.649.551.053.10.53230.950.240.5519.30.182

9、7.9128.817552.549.751.12.80.56130.950.440.6519.50.1847.6230.220052.650.151.352.50.57330.950.440.6519.50.1847.8529.322552.650.451.52.20.56731.050.640.819.60.1857.6630.2取水流量恒定在150L/h时第二组数据为例：计算结果示于表1和图4中。 图4. 总传热系数与空气流量的关系 图5. 总传热系数与水流量的关系空气流量恒定在30m3/h，改变水流量，测定了8组水与空气的进、出口温度。水的平均温度为50.851.5C，查附录得rw=98

10、7.7 kg/m3，Cpw=4.174 kJ/(kgC)。空气的平均温度为40.440.8C，查附录得ra=1.126kg/m3，Cpa=1.005kJ/(kgC)。30C时空气的密度ra=1.165kg/m3。取空气流量恒定在30m3/h时第一组数据为例：计算结果示于表1和图5中六、讨论比较图4与5 发现，总传热系数随空气流量的改变变化较大，随水流量的变化基本不变。K的平均值为29.5W/(m2C)。这说明水侧的对流传热系数要比空气侧大得多。空气流量恒定在30m3/h，水流量为150L/h时，K值为28.8W/(m2C)，而水流量恒定在150L/h，空气流量为30m3/h时，K值为25.4

11、W/(m2C)，测量误差为七、思考题1. 空气与水流量的变化，哪一个对总传热系数影响大？答：空气侧的对流传热系数a1在340之间变化，而水侧的对流传热系数a2在20006000之间变化，a2要远大于a1，K值接近于a1。所以，空气的流量对K值影响较大。2. 螺旋板换热器与列管式换热器，哪个单位体积内的传热面积大？答：螺旋板换热器单位体积的传热面积为列管式换热器的3倍。3. 水与空气的进口温度对总传热系数的测定有何影响？答：水与空气的对流传热系数都随温度的升高而增大，所以，K值也必随温度的升高而增大。随温度的增大，水的a变化较大，空气的a变化较小。4. 气泵的流量调节有哪些调节方法？有哪些注意事

12、项？答：本实验所用气泵为正位移泵，不能完全依靠出口阀门调节流量，一般只能用旁路调节，在本实验中，在气泵的电路上安装了调速装置，在空气缓冲罐上安装了排空阀，这样就可以将三种方式结合共同调节空气的流量。需要注意的问题是，无论如何不能将气泵的出口管路完全关闭，以免泵过热烧毁。5. 转子流量计如何读数？流体温度发生改变，是否应对流量读数进行校正？如何校正？答：转子流量计应读转子的最大截面对应的刻度，一般为转子的上端面。流体的温度改变时，其密度也发生了改变，所以，应该对流量计读数进行校正。校正公式主要根据流体密度与20C时水或空气的密度比来进行校正。在本实验中，由于温度变化不大，流量读数带来的误差在35%之间。6. 为什么不能用水侧的放热速率Q1作为换热器的热负荷Q值？答：因为水为热流体，其温度较高，水流放出的热量并没有全部被空气吸收，其中一部分热量损失到环境中，成为换热器的热损失QL。从本实验测定的Q1和Q2值比较可以看出，Q1比Q2值大得多，说明热损失较大，其随水流量的增大而增大。7. 根据本实验的测定结果，判断该类型换热器是否适用于液体-空气换热？答：根据实验结果，水与空气的a值相差很大，K值受到空气侧对流传热系数的制约，无法得到有效提高，其优势得不到发挥。如果用于两种液体间的换热，两个a的数值接近，则传热面积大的优势将非常明显。6