实验四总传热实验.ppt

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1、实验四 总传热系数的测定,一、基本原理 在工业生产中，要完成加热或冷却任务，一般是通过换热器来实现的，即换热器必须在单位时间内完成传送一定的热量以满足工艺要求。换热器性能指标之一是传热系数K。通过对这一指标的实际测定，可对换热器操作、选用、及改进提供依据。,一、基本原理,传热系数K值的测定可根据热量恒算式及传热速率方程式联立求解。 传热速率方程式 Q=K S tm K = Q /S tm 对于整个换热器，其热量的衡算式为 Q = wh(Hh1-Hh2) = wc(Hc1-Hc2)Q损 如果换热器中的流体均无相变，且流体的比热容不随流体温度变化而为常数时， 即 Q=WhCph（T1T2）=WcC

2、pc（t2t1）Q损 若实验设备保温良好，Q损可忽略不计，所以 Q=WhCph（T1T2）=WcCpc（t2t1） S传热面积（这里基于外表面积）， m2；,一、基本原理,tm为换热器两端温度差的对数平均值，即,一、基本原理,冷、热流体的初、终温各自相同时，逆流的tm较并流时的tm大，推动力：逆流并流，逆流时冷热流体用量少。 当 时，可以用算术平均温度差( )代替对数平均温度差。由上式所计算出口的传热系数K为测量值K测。（t中较大的为t2，较小t1）,一、基本原理,传热系数的计算值K计可用下式进行计算： 两流体通过管壁的传热包括：,一、基本原理,当壁厚一样时，di=d0=dm 当管壁和垢层的热

3、阻可以忽略不计时，上式可简化成： K主要决定于流体的物性、传热过程的造作条件及换热器的类型。,四、实验装置及流程,本实验装置为一套管换热器，采用冷水热水系统，流程如图4-4所示。,1调节阀 2转子流量计 3铜电阻 4换向阀 5套管换热器 6仪表箱 7温度显示仪 8转子流量计 9热水罐 10管道泵 11排气阀,四、实验装置及流程,实验装置设有逆流和并流（报告上应标明流向）两种流程，通过换向阀门改变冷水的流向，进而测得两流体逆流或并流流动时的总传热系数。,四、实验装置及流程,2主要设备仪表规格 套管换热器：内管为紫铜管，管径do=6mm；换热管长度l=1.075m； 测温装置：Cu50型铜电阻配以

4、数字温度显示仪；意义：电阻50欧姆 热水发生器：2196mm，材质为不锈钢；加热器功率：1kW，由智能程序控温仪控制并显示其中温度； 流量计：LZB15转子流量计，范围：0160L/h； LZB25转子流量计，范围：0400L/h。 3.测量参数 1）Wh，Wc，流量转子流量计 2）温度铜电阻（果场温度变化小，需要测量精度高的仪器，若精度低可能测不出温差） 3）特征尺寸d,l设备名牌标出,五、实验步骤,1.熟悉流程、管线，检查各阀门的开启位置，熟悉各阀门的作用。 流程：确定逆流并流，谁走管内谁走管外。（冷水走管内，热水走管外。为什么这样安排？） 2.将热水发生器水位约维持在其高度的2/3，把换

5、向阀门组调配为逆流。 3.打开总电源开关，通过智能程序控温仪设定加热器温度，通电加热并启动管道泵，开启热水调节阀调节热水流量为定值。（加热温度应控制在40C） 4.当热水发生器温度接近设定值时开启冷水离心泵和出口阀，调节冷水阀使冷水流量为定值。实验过程中注意开启冷水槽上水阀勿使槽内水位下降太多。,五、实验步骤,5.待冷、热水温度稳定后，记录冷、热水的进出口温度。（传热平衡，稳定后计录数据，实验存在热损失，Q=WhCph（T1T2）=WcCpc（t2t1）Q损，当Q热 Q冷 20%可视为稳定。） 6.调节冷水阀，改变冷水流量，（冷水流量不要太小，若太小，冷热流体文差大，一般从80L/h开始）测取

6、6个数据。注意，每次流量改变后，须有一定的稳定时间，待有关参数都稳定后，再记录数据。 7.把换向阀门组调配为并流，调节冷水阀，改变冷水流量，待温度稳定后记录有关参数。 8.实验结束后，关闭调节阀门，关闭热水泵的电源开关并关闭冷水离心泵出口阀及离心泵，最后关闭总电源。,七、思考题,1.影响传热系数K的因素有哪些？ 对流传热是流体在具有一定形状及尺寸的设备中流动时发生的热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递过程，因此它必然与下列因素有关。 1.引起流动的原因 2.流体的物性 影响较大的物性有：，cp。的影响：；的影响：Re；cp的影响：cpcp单位体积流体的热容量大，则较大；的影响: Re 3.流动

7、型态： 4.传热面的形状、大小和位置 不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。 5.是否发生相变,七、思考题,2.在实验中哪些因素影响实验的稳定性？ 尽量增大实开始时冷热流体的温度差，采用逆流的形式，缓慢调节流量，实现清理管道，等。 3.根据实验结果分析如何强化传热？ 强化传热的途径： ，分别从K,S，tm着手，,七、思考题,1）传热系数K a.管壁热阻b/，对K影响不大，可忽略； b.管内、外侧污垢热阻Rsi，Rso，对K影响不能忽略，要使用预处理的冷却水或缩短除垢周期； c.若io相差不大，要提高K，应同时提高两侧的传热系数，若io相差悬殊，应提高较小的

8、传热系数，如有相变和无相变流体间换热，要提高无相变一侧的传热系数； 2)传热面积S 从改变换热器结构入手，开发单位体积传热面积的换热器 3）平均温度差tm 两流体采用逆流传热，提高热流体的温度或降低冷流体的温度,七、思考题,强化传热措施： 1）提高流速，增强流体团东程度，增加传热系数，但阻力随之加大，当传热系数增大一倍，阻力增大4.6倍，因此需选择经济流速； 2）可采用外加脉动，使流体湍动程度增加； 强化传热设备： 1）设计制造高效紧凑的换热器，可换成平板换热器等； 2）对于套管换热器，外加翅支结构，内置各种插物麻花铁，均可强化传热。,换热器,按传热特征分： 间壁式：冷、热流体由固体间壁隔开，

9、传热面积固定，热量传递为-导热-对流的串联过程。 混合式：通过冷、热两流体的直接混合来进行热量交换。 蓄热式 (蓄热器)：由热容量较大的蓄热室构成，使冷、热流体交替通过换热器的同一蓄热室。 按用途分：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。 按结构分：夹套式、浸没式、喷淋式、套管式和管壳式等。 选取换热器时，应根据工艺要求选用合适的类型，还应按传热基本原理选定合理的换热流程，确定换热器的传热面积、结构尺寸以及校核流体阻力等。 对系列化标准换热器，需通过必要的计算 (A，p) 来选用。,间壁式换热器的类型和结构型式,夹套式换热器,主要用于反应器的加热或冷却，将反应器的筒体制成夹套，将加热剂或冷

10、却剂通入夹套内，通过夹套的间壁与反应器内的物料进行换热。,在用蒸汽进行加热时，蒸汽由上部连接管通入夹套内，冷凝水由下部连接管排出，当冷却时，冷却水从下部进入，而由上部流出。 为提高器内物料一侧的给热系数，可在器内设置搅拌器，使容器内的流体作强制对流。,间壁式换热器的类型和结构型式,浸没式蛇管换热器,结构：由肘管连接的直管，或由盘成螺旋状的弯管所组成。蛇管形状主要决定于容器形状。将蛇管浸没于容器中，即构成蛇管式换热器。,当管内通入液体载热体时，应从蛇管的下部通入，当管内通入蒸汽加热时，应从蛇管的顶部通入，冷凝水经蛇管下部的疏水器排出。 优点：结构简单，能承受高压； 缺点：管外流体给热系数小，为强

11、化传热，可在器内安装搅拌器。,间壁式换热器的类型和结构型式,喷淋式蛇管换热器,通常用作冷却器。将蛇管成排地固定在钢架上，被冷却流体在管内流动，冷却水由管上方的喷淋装置通过齿型堰板均匀喷洒在蛇管表面而流下，最后收集于排管的底盘内。 喷淋式换热器的最大优点是便于检修和清洗，对冷却水水质可以适当降低。,间壁式换热器的类型和结构型式,套管式换热器,间壁式换热器的类型和结构型式,套管式换热器,间壁式换热器的类型和结构型式,套管式换热器,结构：直径不同的金属管装配成的同心套管。可根据换热要求串联使用。程数可依传热面积的大小而增减，并可数排并列。冷、热流体一般呈逆流流动，平均传热温差大，并可达到较高的流速，

12、形成湍流，具有较高的传热系数。 优点：构简单，能承受较高压力，应用灵活； 缺点：耗材多，占地面积大，难以构成很大的传热面积，故一般适合于流体流量不大、传热负荷较小的场合。,螺旋套管换热器,间壁式换热器的类型和结构型式,列管式换热器,间壁式换热器的类型和结构型式,列管式换热器,间壁式换热器的类型和结构型式,列管式换热器 工业上使用最广泛的一种换热设备 优点：单位体积的传热面积、处理能力和操作弹性大，适应能力强，尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。,固定管板式换热器,结构：管束与焊接在壳体的两端管板连接。在壳体内，沿管长方向装置有若干块折流挡板； 优点：结构简单、紧凑、造价便宜； 缺点：管外

13、不能机械清洗，管板、管子和壳体都是刚性连接，当管壁和壳壁的温度相差较大时，会产生很大的热应力，甚至将管子从管板上拉脱。解决方法补偿圈(或称膨胀节)。,间壁式换热器的类型和结构型式,U 型管式换热器,结构：管子弯制成U型，U型管的两头固定在同一块管板上，与管板连接的封头内用隔板隔成两室。 优点：管子受热受冷可以自由伸缩，而与壳体无关。结构比较简单，管束可以拔出清洗。 缺点：管内的机械清洗困难，只能走清洁流体。,间壁式换热器的类型和结构型式,U 型管式换热器,间壁式换热器的类型和结构型式,浮头式换热器,我国已有标准化的列管式换热器系列产品供选用。例如：型号为FB800-180-16-4换热器，FB

14、表示浮头式B型，252.5mm换热管，正方形排列，壳体公称直径800mm，公称传热面积180m2，公称压力16kgf/cm2，管程数为4。,结构：一块管板与壳体固定，另一块管板可以在壳体内来回活动，并连接一浮头，当管束受热受冷时即可自由伸缩。浮头式换热器各有一个内浮头和一个外浮头。 优点：有良好的热补偿性能，管束可从壳体中拔出清洗； 缺点：结构复杂，造价较高。,列管换热器的选用和设计的步骤,(1) 确定流动路径，由传热任务计算Q，确定流体进、出口温度，选定换热器形式，计算定性温度，查取流体物性，计算平均温差，根据 0.8 的原则，确定壳程数。 (2) 依据K的经验值，或按生产实际情况选定K估，

15、由传热基本方程估算A估。参照系列标准选定换热器的基本尺寸，如管径、管长、管数及管子的排列等；若是选用，可在系列标准中选择适当的换热器型号。 (3) 根据初选的设备规格，计算管、壳程流体的流速和压降，检查是否合理或满足工艺要求，若不符合，需调整流速，再确定管程数或折流挡板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压力降直至满足要求为止。 (4) 计算管、壳程的 h1 和 h2，确定 Rs1 和 Rs2, 计算 K计，A计，比较 A估 和 A计，若 A估/A计=1.151.25，则初选的设备合适，否则需另设 K估 值，重复以上步骤。,其他类型的换热器,板式换热器：,其他类型的换热器,板式换热器：,1.固

16、定压紧板 2.夹紧螺栓 3.前端板 4.换热板片 5.密封垫片 6.后端板 7.下导板 8.后支柱 9.活动压紧板 10.上导板,板式换热器,结构紧凑，占用空间小 很小的空间即可提供较大的换热面积，不需另外的拆装空间；相同使用环境下，其占地面积和重量是其他类型换热器的1/31/5。 传热系数高 雷诺准数10时，即可产生剧烈湍流，一般总传热系数可高达30008000W/M2.K。 端部温差小 逆流换热，可达到1的端部温差。 热损失小 只有板片边缘暴露，不需保温，热效率98%。 适应性好，易调整 通过改变板片数目和组合方式即可调节换热能力，与变化的热负荷相匹配。 流体滞留量小，对变化反应迅速，拆装

17、简单，容易维护 板片是独立的单元体，拆装简单，可将密封垫密闭的板片拆开、清洗。 结垢倾向低 高度紊流、光滑板表面，使积垢机率很小，且具自清洁功能，不易堵塞。 低成本 使用一次冲压成型的波纹板片装配而成，金属耗量低，当使用耐蚀材料时，投资成本明显低于其他的换热器。,板式换热器,缺点：处理能力不大，操作压力比较低，一般不超过20atm，受垫片耐热性的限制，操作温度不能太高，一般合成橡胶垫不超过130，压缩石棉垫圈也不超过250。,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器由两块金属薄板焊接在一块分隔板上并卷制成螺旋状而构成的。卷制后，在器内形成两条相互隔开的螺旋形通道，在顶、底部分则焊有封头和两流体进出口接管

18、。其中有一对进出口接管是设在园周边上，而另一对进出口则设在园鼓的轴心上。换热时，冷、热流体分别进入两条通道，在器内作严格的逆流流动。,螺旋板式换热器,按流道布置和封头形式可分为： I 型结构：两个螺旋通道两侧完全焊接封闭，不可拆。两流体均作螺旋运动，通常冷流体由外周流入，热流体从中心流入，形成完全逆流流动。主要用于液体与液体之间的传热。 II 型结构：一个螺旋通道焊接封闭，另一通道的两侧敞开。一流体作螺旋形流动，另一流体则作轴向流动。适合于两流体的流量相差很大的场合。常做蒸汽冷凝器、气体冷却器使用。 III 型结构：一流体作螺旋形流动，另一流体则是轴向流动和螺旋流动的组合，适用于蒸汽的冷凝和冷

19、却。,螺旋板式换热器,螺旋板式换热器的特点,传热系数高 由于离心力的作用，可在较低Re数下出现湍流(Re=1400-1800)，允许流速可达2m/s，故传热系数较高，如水对水的换热，传热系数可达2000-3000 W/（m2K）。 不易堵塞 由于流速较高，又是在螺旋流道内流动，能较好的发挥流体对板面的冲刷作用，因而流体中的悬浮物不易沉积下来。 由于流道长，可为完全逆流，便于控制温度和利用低温热源，操作时允许较低的温度差，因此，在一些低温差传热的场合，采用螺旋板换热器比较合适。 结构紧凑，制造简便，单位体积设备内的传热面积约为列管式换热器的3倍。 操作压力和温度不能太高，尤其是所能承受的压力比较

20、低，操作压力只能在20atm以下，操作温度约在300-400以下。 不易检修，整个换热器已被卷制焊接为一个整体，一旦发生中间泄漏或其他故障，设备即告报废。,板翅式换热器,在两块平行金属板之间夹入波纹状金属翅片，两边以侧条密封，组成一个单元体； 将各单元体进行不同的叠集和适当地排列，再用钎焊予以固定，形成逆流、并流和错流的板翅式换热器组装件(芯部或板束) ； 将带有进、出口的集流箱焊接到板束上。,特点：传热效果更好、结构更为紧凑。 我国目前最常用的翅片形式主要有光直型翅片、锯齿型翅片和多孔型翅片。,板翅式换热器,传热效果好 板翅促进湍流，破坏传热边界层的发展，总传热系数高，同时冷、热流体间换热不

21、仅以平隔板为传热面，而且大部分热量通过翅片换热，因而具有很高的传热速率。 结构紧凑 单位体积换热器提供的传热面积一般能达到2500m2，最高可达到4300m2，而列管式换热器只有160m2。 轻巧牢固 由于结构紧凑，通常用铝合金制造，在相同的传热面积下，其重量仅为列管式换热器的十分之一，波纹翅片不仅是传热面，又是两板间的支撑，故强度很高。 适应性强，操作范围广 由于铝合金的导热系数高，特别适合于低温和超低温条件下的换热。 流道很小，容易堵塞而使压降增大。换热器内一旦结垢，清洗和检修困难，故处理的物料应较清洁或预先进行净制。 由于平隔板是用薄铝片制成，故要求流体对铝不发生腐蚀。,翅片式换热器,结

22、构：在管子外表面上装有径向或轴向翅片。 用途：适用于两种流体的给热系数相差很大的场合，例如水蒸气和空气间的换热，传热过程的热阻主要集中在空气一侧，若空气在管外流动，则在管外装置翅片，既可增大空气侧的传热面积，又可促进空气湍动，使传热系数和传热面积的乘积 KA 值增大，从而提高换热器的传热速率。 翅片与光管的连接应紧密无间，否则会在连接处产生很大的接触热阻。常用的连接方法有镶嵌、缠绕或高频焊接，其中焊接最为密切，但加工费用较高。,翅片式换热器,翅片盘管换热器,空调机组表冷器,组合式铝合金散热器（T形翅）,列管换热器的选用和设计的步骤,核心：计算换热器的传热面积S=Q/Ktm （1）确定流动路径，

23、由传热任务计算Q，Q = SKtm换热器本身的能力, Q = Whcph(T1-T2)传热本身的热负荷 （2）确定流体进、出口温度，一般由工艺条件规定。 热流体温度 T1 T2由工艺条件确定 冷流体温度 t1当地气温 t2根据经济衡算确定 （3）选定换热器形式，计算定性温度，查取流体物性，计算平均温差，根据 0.8 的原则，确定壳程数。 （4）依据K的经验值，或按生产实际情况选定K估，由传热基本方程估算S估。参照系列标准选定换热器的基本尺寸，如管径、管长、管数及管子的排列等；若是选用，可在系列标准中选择适当的换热器型号。 （5）计算 K计，S计，比较 S估 和 S计，若 S估/S计=1.151.25，则初选的设备合适，否则需另设 K估 值，重复以上步骤。,