《熱質交換原理與設備》實驗指導書

1、教學實驗 2015-10熱質交換原理與設備實驗指導書湘潭大學土木工程工程與力學學院建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)2015年10月內部使用目 錄實驗一 散熱器熱工性能實驗實驗二 汽液式翅片管換熱器實驗1實驗一 散熱器熱工性能實驗一、實驗目的：1、通過實驗了解散熱器熱工性能測定方法及低溫水散熱器熱工實驗裝置的結構。2、測定散熱器的散熱量Q，計算分析散熱氣的散熱量與熱媒流量G和溫差T的關系。二、實驗裝置見圖一： 圖一散熱器熱工實驗裝置示意圖1. 散熱器阻力、溫度取樣點 2.測壓差閥門組 3.散熱器水流量調節(jié)閥 4. 轉子流量計5. 溫度壓差巡檢儀 6. 溫控表7. 電壓表8. 電流表 9. 水位計10. 水

2、泵開關及加熱開關組1、2. 上水調節(jié)閥 13. 散熱器 14.內置加熱水箱、循環(huán)水泵的模擬墻體 三、實驗原理：本實驗的實驗原理是在穩(wěn)定的條件下測定出散熱器的散熱量：Q=GCP（tg-th） kJ/h式中：G熱媒流量， kg/h；CP水的比熱，kJ/Kg； tg、th供回水溫度， 。 每組散熱面積為：2m2上式計算所得散熱量除以3.6即可換算成W。由于實驗條件所限，在實驗中盡量減少室內溫度波動。 低位水箱內的水由循環(huán)水泵打入高位水箱，被電加熱器加熱，并由溫控器控制其溫度在某一固定溫度波動范圍，由管道流入散熱器中，經其傳熱將一部分熱量散入房間，降低溫度后的回水通過轉子流量計流入低位水箱。流量計計量

3、出流經每個散熱器在溫度為th時的體積流量。循環(huán)泵打入高位水箱的水量大于散熱器回路所需的流量時，多余的水量經溢流管流回低位水箱。四、實驗步驟：1、測量散熱器面積。2、系統(tǒng)充水，注意充水的同時要排除系統(tǒng)內的空氣。3、打開總開關，啟動循環(huán)水泵,使水正常循環(huán)。4、將溫控器調到所需溫度（熱媒溫度）。打開電加熱器開關，加熱系統(tǒng)循環(huán)水。5、根據散熱量的大小調節(jié)每個流量計入口處的閥門，使之流量、溫差達到一個相對穩(wěn)定的值，如不穩(wěn)定則須找出原因，系統(tǒng)內有氣應及時排除，否則實驗結果不準確。6、系統(tǒng)穩(wěn)定后進行記錄并開始測定：當確認散熱器供、回水溫度和流量基本穩(wěn)定后，即可進行測定。散熱器供回水溫度tg與th及室內溫度t

4、，均采用Pt100.1傳感器，配數顯巡檢測試儀直接測量，流量用轉子流量計測量。溫度和流量均為每10分鐘測讀一次。Gt=L/1000=L10-3 m3/h式中：L轉子流量計讀值； l/h；Gt溫度為th時水的體積流量；m3/hG=Gtt （tg/h）式中：G熱媒流量，（kg/h）；t溫度為th時的水的密度，（kg/ m3）。7、改變工況進行實驗：a、改變供回水溫度，保持水量不變。b、改變流量，保持散熱器平均溫度不變。即保持 恒定8、實驗測定完畢：a、關閉電加熱器；b、停止運行循環(huán)水泵；c、檢查水、電等有無異?，F象，整理測試儀器。五、阻力測試：就是通過測試裝置測出通過散熱器不同水量時所損失的壓力及

5、在工程設計中所需要的散熱器阻力系數，以便向采暖系統(tǒng)工程設計提供參數。測試裝置U型壓差計見圖二。 圖二倒U型壓差計測試原理：水流通過散熱器時，不僅流速和方向發(fā)生變化，并且由于散熱器內腔的形狀比較復雜，流通斷面和形狀的變化使水流產生渦流、撞擊、轉向及摩擦，從而消耗了能量，形成了水流阻力。水流為克服這些阻力就要損失能量，能量損失的大小與水流速度的平方成正比，對于不同形式的散熱器，同一水量通過時能量損失也不同，因此，需通過測試得到各種散熱器的阻力系數。 利用流體力學中的阻力計算公式： 則推出阻力系數：式中： 散熱器的阻力系數； 水在散熱器供水管中的流速；m/s；其連接管徑DN15 d=15.6 mm；

6、 水流在散熱器進、出口所產生的能量損失，。測散熱器進出口二個測壓點的壓差等于散熱器局部水頭損失：=式中： 連接兩點的U形壓力計的讀數，m；U型壓差計操作要點：1、關閉U型壓差計上的所有閥門；2、安裝測壓管；3、啟動系統(tǒng)充水運行后，打開連通閥2；4、打開連高、底壓測壓管上的閥門1、7；5、打開排氣閥4或5，使水位在測壓管中間位置左右，然后關閉排氣閥；6、關閉連通閥2，既可以正常測出壓差。六、實驗報告：(1) 流量恒定，改變供回水溫度N0供水溫度tg()回水溫度th()室溫t()流量G（kg/h）散熱量Q（W）123(2)供回水溫度恒定，流量改變N0供水溫度tg()回水溫度th()室溫t()流量G

7、（L/h）壓力差散熱量Q（W）阻力系數123七、注意事項：1、測溫點應加入少量機油，以保持溫度穩(wěn)定；2、上水箱內的電熱管應淹沒在水面下時，才能打開，本實驗臺有自控裝置；但亦應經常檢查。3、實驗臺應接地。附：巡檢儀設置控制參數（一級參數）設定 按 Set鍵大于5秒符號名稱設定數值AT1通道顯示時間AT1=3AT2AT2=0AT3AT3=0AAAA=1其它不設二級參數設定 CLK=132后同時按Set鍵和鍵30秒進入，按Set鍵依次設置符號名稱設定數值測試范圍傳感器類型傳感器用途DE儀表設備號4（可不設）BT通訊波特率5（9600）（可不設）-n1第1通道開 0Pt100.1左散熱器進水溫度-n2

8、第2通道開 0Pt100.1左散熱器出水溫度-n3第3通道開 0Pt100.1右散熱器進水溫度-n4第4通道開0Pt100.1右散熱器出水溫度-n5第5通道開00-40 KPa4-20mA左散熱器阻力(壓差)-n6第6通道開00-40 KPa4-20mA右散熱器阻力(壓差)-n7第7通道開0Pt100.1環(huán)境溫度-n8第8通道開1-n9-n16均設置為關1第1、2、3、4、7通道設置:1SL0輸入分度號091SL1小數點11SL2無01SL3無01SL4無01-Pb零點遷移根據情況1KKK量程放大倍數根據情況1OUL變送輸出量程下限默認1OUH變送輸出量程上限默認1SLL測量量程下限默認1SL

9、H測量量程上限默認其它不設第5、6通道設置:ASL0輸入分度號124-20mA顯示數值為mmH2OASL1小數點0ASL2無0ASL3無0ASL4無0A-Pb零點遷移根據情況AKKK量程放大倍數根據情況AOUL變送輸出量程下限0AOUH變送輸出量程上限4000ASLL測量量程下限0ASLH測量量程上限4000其它已關閉，不設。巡檢儀通道設置：通道號12345678內容 左散熱器出口溫度左散熱器進口溫度右散熱器出口溫度右散熱器進口溫度左散熱氣阻力壓差 右散熱氣阻力壓差室溫實驗二 汽液式翅片管換熱器實驗一、實驗目的1、通過本實驗熟悉掌握空氣與液體（水）換熱量及換熱系數的測定方法；2、通過本實驗熟悉

10、掌握換熱器阻力的測試方法；3、了解溫度、壓力、流量數據采集系統(tǒng)的組成。二、實驗原理當處理空氣時，處理過程為等濕加熱且只是顯熱的交換過程。被加熱的空氣所得到的熱量為： （1）空氣得熱量，Kw；空氣的質量流量，Kg/s；空氣的定壓比熱，Kj/Kg；空氣加熱器前空氣的溫度，；空氣加熱器后空氣的溫度，。熱媒水供給空氣加熱器的熱量為： （2）水放熱量，Kw；水的質量流量，Kg/s；水的定壓比熱，Kj/Kg；水通過空氣加熱器后的溫度，；水通過空氣加熱器前的溫度，。空氣加熱器供給空氣的熱量為： （3）空氣加熱器供給空氣的熱量，Kw；空氣加熱器傳熱系數，Kw/m2；空氣加熱器的散熱面積，m2。忽略設備的散熱損

11、失的情況下，理論上三者應相等，即：因此我們能夠測量出空氣側獲得的熱量或水供給加熱器的熱量，即可得知加熱器的換熱能力即換熱量，測出水進入換熱器的進出口溫度、空氣流過換熱器的進出口溫度、換熱器的面積，即可求出換熱器的傳熱系數。換熱器的流體力學特性空氣流動阻力：空氣側壓力損失一般整理成（4）的形式： （4）空氣側壓力損失，Pa；空氣的質量流速，kg/(m2s)； 空氣流速，m/s ； 空氣密度，kg/m3； 常數； 指數常數。三、 實驗裝置實驗裝置由空氣動力及加熱系統(tǒng)、空氣參數測量系統(tǒng)、熱水加熱及參數測量系統(tǒng)、數據采集及處理系統(tǒng)等組成，如圖1所示。圖1、實驗裝置系統(tǒng)圖1、空氣動力及加熱系統(tǒng)由風機、風

12、機調速器、方形風洞等組成。風洞上設置測量換熱器空氣側流動阻力的取壓嘴及差壓計。設置測量空氣流量的孔板及差壓計。空氣溫度用Pt100.1鉑電阻傳感器測量。空氣通過換熱器的流通阻力，在換熱器前后的風管上設靜壓測嘴，配差壓傳感器測量。2、熱水加熱系統(tǒng)（1）換熱器為空氣加熱器，空氣加熱器幾何尺寸如下表：基管數量：42根，管徑=9.5mm；基管面積 ：423.140.00950.18=0.2255148 m2 鋁片尺寸：0.175 mm 0.13 mm，數量70片； 單片鋁翅片面積：0.1750.13-420.7850.00952 = 0.02275-0.002976=0.019774 m2鋁翅片面積：

13、0.01977470=1.38418 m2鋁翅片面積+基管面積= 1.6097 m2；散熱面積：鋁翅片面積2 + 基管面積=1.384182 + 0.2255148=2.6938748迎風面積： 0.180.0175=0.0315 m2； 最窄通風面積：0.0315-0.00950.187=0.0315-0.011197=0.01953 m2鋁串片尺寸（mm）片 距b（mm）基管直徑dw/dn（mm）基管面積Fj（m2）迎風面積Fy（m2）散熱面積F（m2）最窄通風面積f（m2）1801752.39.5/80.22550.03152.69390.0195（2）不銹鋼水箱電加熱器總功率為6KW，

14、PID調節(jié)控制；（3）熱水流量用浮子流量計測量；3、測量系統(tǒng)溫度、差壓、流量測量信號接入萬能信號輸入8點巡檢儀上顯示。四、 實驗方法及操作步驟操作面板如圖2圖2操作面板如圖1、實驗方法1）擬定試驗熱水溫度（可取=6080）2）在固定熱水流量為某一值，改變空氣流速的工況下，進行一組試驗（3個以上工況）。3）改變熱水流量為某另值，改變空氣流速的工況下，進行一組試驗（3個以上工況）。4）每一工況的試驗，均需測定以下參數：空氣進口溫度；空氣出口溫度；空氣孔板壓差；空氣阻力壓差。熱水進口溫度；熱水出口溫度；熱水流量等。2、操作步驟1）連接電源（380V，四線，50HZ，10KW）；2）向電熱水箱內注水至

15、超過水加熱器最高點，以免加熱器內有空氣存在；3）用膠管把換熱器進出口處的阻力測嘴與差壓傳感器連接好，用膠管把孔板流量計前后處的阻力測嘴與差壓傳感器連接好；4）接通電源，啟動水泵，檢查水管路，不得漏水，否則應處理，關閉水泵；5）設置溫控表至所控溫度值，啟動電加熱器；6）溫度到達設值后，啟動水泵；7）啟動風機：打開風機開關，調節(jié)調速電位器，使風速最大；8) 觀察巡檢儀顯示數據是否正常等。3、工況調節(jié)1）根據水溫度利用水泵出口閥門可調節(jié)熱水流量。2）根據空氣溫差，調節(jié)電位器可調節(jié)空氣流量。3）設定工況1，測取參數；4）改變工況，測取各工況參數。5）記錄各工況數據。五、注意事項：（1）熱水溫度不能超過

16、80，防止水泵因氣塞而不能正常工作。（2）試驗完畢應先關閉電熱器開關；（3）十分鐘后關閉水泵、風機開關；（4）最后，切斷電源。六、數據處理1、空氣獲熱量： (W)2、熱水放熱量： (W)3、平均換熱量：， (W)4、熱平衡誤差：5、傳熱系數：=傳熱系數： (W/m2)式中： ()對于翅片管，管外放熱系數可以有不同的定義公式，可以以光管外表面為基準定義放熱系數，也可以以包括翅片在內的管外表面積為基準定義。以光管外表面為基準定義： ；以包括翅片在內的管外表面積為基準定義： 。空氣質量流量：由于溫度變化不大孔板流量系數，0.60.65；孔板空口面積,m2；空氣密度，Kg/m3；孔板前后壓差，Pa；6

17、、空氣側壓力損失： 對公式兩邊取對數 ，則為直線的斜率，為截距。從而得出，因此可以計算出空氣側壓力損失方程式的具體形式。其它符號同前。巡檢儀設置符號名稱設定數值測試范圍傳感器類型傳感器用途-n1第1通道開0-199.9320.0Pt100.1鉑電阻溫度-n2第2通道開0-199.9320.0Pt100.1鉑電阻溫度-n3第3通道開0-199.9320.0Pt100.1鉑電阻溫度-n4第4通道開0-199.9320.0Pt100.1鉑電阻溫度-n5第5通道開0-199.9320.0Pt100.1鉑電阻環(huán)境溫度-n6第6通道關1-n7第7通道關1-n8第8通道關1附表1 空氣參數表溫度（）密度（k

18、g/m3）比熱容(kJ/kgK)溫度（）密度（kg/m3）比熱容(kJ/kgK)11.2471.009271.1381.01321.2431.009281.1341.01331.2381.009291.1311.01341.2341.009301.1271.01351.2291.009311.1241.01361.2241.009321.1201.01371.2201.009331.1171.01381.2151.009341.1331.01391.2111.009351.1101.013101.2061.009361.1061.013111.2021.0095371.1031.013121.1981.0099381.0991.013131.1931.0103391.0961.013141.1891.0107401.0921.013151.1851.0112501.0561.017161.1811.0116601.0251.017171.1771.0120700.9961.017181.1721.0124800.9681.022191.1681.0128900.9421.022201.1641.0131000.9161.022211.1611.0131200.8701.026221.15