氣-氣熱管換熱器實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

氣—?dú)鉄峁軗Q熱器換熱性能測試實(shí)驗(yàn)【引言】熱管起源于二十世紀(jì)六十年代，是一種具有特高導(dǎo)熱性能的新型傳熱元件。熱管理論一經(jīng)提出就得到了各國科學(xué)家的高度重視，并展開了大量的研究工作，使得熱管技術(shù)得以迅速發(fā)展。我國自二十世紀(jì)80年代以來相繼開發(fā)了熱管氣－氣換熱器、熱管氣－水換熱器、熱管余熱鍋爐、熱管蒸汽發(fā)生器、熱管熱風(fēng)爐等各類熱管產(chǎn)品。熱管換熱技術(shù)因其卓越的換熱能力及其他換熱設(shè)備所不具有的獨(dú)特?fù)Q熱技術(shù)在航空、化工、石油、建材、輕紡、冶金、動力工程、電子電器工程以及太陽能等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?！緦?shí)驗(yàn)原理】典型的熱管由管殼、外部擴(kuò)展受熱面（散熱器）、端蓋組成。它的下部是由一根高效換熱管組成的換熱系統(tǒng)，上部則是內(nèi)部真空的散熱器殼體組成的重力熱管系統(tǒng)。其工作原理是：熱水流過換熱管時，把熱能交換到液體工質(zhì)中，液體工質(zhì)在極小的熱阻下迅速蒸發(fā)汽化擴(kuò)散到散熱器上部，整個散熱器達(dá)到很高溫度并向外散熱。氣體工質(zhì)在散熱的同時冷凝為液體工質(zhì)，并依靠自身重力回流到殼體底部，繼續(xù)進(jìn)行下一個相變傳熱循環(huán)。熱管的傳熱原理決定著熱管具有以下基本特性：較大的傳熱能力，熱管巧妙的組織了熱阻較小的沸騰和凝結(jié)兩種相變過程，使它的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)紫銅導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)倍以至數(shù)千倍；優(yōu)良的等溫性，熱管內(nèi)腔的氣體是處于飽和狀態(tài)，飽和氣體由蒸發(fā)段流向冷凝段的壓力差很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性；不需要輸送泵及密封潤滑部件，結(jié)構(gòu)簡單，無運(yùn)動部件和噪音。熱管組成的熱管換熱器具有以下優(yōu)點(diǎn)：熱管換熱器可以通過換熱器中的隔板使冷熱工質(zhì)完全分開，在運(yùn)行過程中單根熱管因?yàn)槟p、腐蝕、超溫等原因發(fā)生破壞，不會導(dǎo)致冷熱流體的摻雜。所以熱管換熱器具有很高的可靠性，適用于易然、易爆、腐蝕等流體的換熱過程；熱管換熱器的冷、熱流體完全分開流動，比較容易的實(shí)現(xiàn)冷、熱流體的完全逆流換熱；同時冷熱流體均在管外流動，由于管外流動的換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于管內(nèi)流動的換熱系數(shù)，且兩側(cè)受熱面均可采用擴(kuò)展受熱面。用于品位較低的熱能的回收非常經(jīng)濟(jì)；熱管換熱器可以通過調(diào)整熱管結(jié)構(gòu)尺寸，擴(kuò)展受熱面形式，解決換熱器的磨損堵灰問題。帶有腐蝕性的煙氣的余熱回收時使用熱管換熱器，可以通過調(diào)整蒸發(fā)段、冷凝段的傳熱面積來調(diào)整熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開最大的腐蝕區(qū)域?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．熟悉熱管換熱器實(shí)驗(yàn)臺的工作原理和使用方法。2．了解熱管換熱器換熱量與風(fēng)溫、風(fēng)速及熱管傾斜角度等參數(shù)的關(guān)系。掌握氣一氣熱管換熱器性能的測試方法，換熱量Q和傳熱系數(shù)K的計算方法。實(shí)驗(yàn)裝置】

實(shí)驗(yàn)臺主要由翅片式（鋁軋片管）熱管換熱器、電加熱器組、冷熱端風(fēng)機(jī)、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥門、測速笛形管、數(shù)顯式測溫系統(tǒng)和工作臺等組成，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：（1）熱段空氣采用循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)升溫快、省電。（2）熱風(fēng)電加熱系統(tǒng)分三組控制。其中一組可無級調(diào)節(jié)，溫度調(diào)節(jié)靈活、穩(wěn)定。（3）采用數(shù)顯式測溫系統(tǒng)，具有快速、準(zhǔn)確、方便等特點(diǎn)。（4）實(shí)驗(yàn)臺可繞支點(diǎn)向前方旋轉(zhuǎn)90度，熱管換熱器傾斜角度為0和90可直接卡在限位擋板上，其它角度可利用換熱器頂部的鐵鏈掛在前部限位擋板上的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣既可測定熱管換熱器熱端空氣溫度、空氣流速等參數(shù)與換熱量的關(guān)系，還可進(jìn)行熱管傾斜角度對熱管工作性能影響的測定。實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)如下圖所示圖1氣—?dú)鉄峁軗Q熱器性能測試實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)簡圖1.冷端風(fēng)機(jī)2.測溫點(diǎn)3.熱管組4.笛形管 5.風(fēng)量調(diào)節(jié)6.圖1氣—?dú)鉄峁軗Q熱器性能測試實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)簡圖1.冷端風(fēng)機(jī)2.測溫點(diǎn)3.熱管組4.笛形管 5.風(fēng)量調(diào)節(jié)6.熱風(fēng)機(jī)7.熱風(fēng)調(diào)節(jié)8.電加熱器組9.笛形管10.熱風(fēng)循環(huán)管道11工作臺旋轉(zhuǎn)臺12.儀表盤實(shí)驗(yàn)臺主要機(jī)構(gòu)尺寸如下：1）冷、熱端熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)：圖2熱管冷、熱端結(jié)構(gòu)圖2）冷、熱端測速段風(fēng)管截面積（D=120mm）

F=FF=F'LRnD2~4~m2（3）熱管換熱器冷或熱端傳熱表面積（按14根熱管計算）F=F=3.18m2（或根據(jù)直徑計算）LR（4）排列形式：14根3列豎向、叉排?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與測量】1．簡述實(shí)驗(yàn)原理及過程；繪制換熱器性能測試系統(tǒng)原理圖；2．穩(wěn)定運(yùn)行條件下，測量冷端和熱端空氣在換熱器進(jìn)出口處的溫度，冷熱端空氣流速、流量。3．分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計算換熱器的總傳熱系數(shù)，對數(shù)平均傳熱溫差和熱平衡誤差等，繪制傳熱性能曲線（以傳熱系數(shù)為縱坐標(biāo)，空氣流量、換熱器角度等為橫坐標(biāo)繪制傳熱性能曲線）；4．比較分析不同循環(huán)風(fēng)量，熱管換熱器不同布置方式（角度變化），不同工況的傳熱狀況和性能5．分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差結(jié)果，簡述實(shí)驗(yàn)收獲及對實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)意見?！緦?shí)驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)記錄】將電源插頭插在插座上，合上總電源開關(guān)，數(shù)據(jù)巡檢儀顯示。開啟熱端風(fēng)機(jī)開關(guān)，調(diào)節(jié)熱端循環(huán)風(fēng)量（利用風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的風(fēng)量調(diào)節(jié)板，改變其面積來進(jìn)行調(diào)節(jié)）打開三組電加熱器（電熱器開關(guān)受熱端風(fēng)機(jī)開關(guān)控制，只有當(dāng)熱端風(fēng)機(jī)開啟后才能接通電加熱器開關(guān)）。調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度，使其趨近并達(dá)到穩(wěn)定。熱端進(jìn)風(fēng)溫度是用電加熱器開關(guān)的開啟數(shù)量（即接通電加熱器的數(shù)量）和電加熱器的調(diào)壓旋轉(zhuǎn)鈕來進(jìn)行調(diào)節(jié)。電加熱器組分三級（2KW、1KW、0~1KW）進(jìn)行控制，其中一組可利用調(diào)壓旋鈕進(jìn)行無級調(diào)節(jié)（順時針旋轉(zhuǎn)為升壓，反之為降壓）。觀察熱風(fēng)溫度，待該溫度達(dá)到（或接近）實(shí)驗(yàn)預(yù)期值時，開啟冷端風(fēng)機(jī)開關(guān)，并利用其出風(fēng)口處的旋轉(zhuǎn)調(diào)風(fēng)閥改變其開口大小來調(diào)節(jié)冷端風(fēng)量。在第一個實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)穩(wěn)定后即可開始記錄數(shù)據(jù)。記錄冷、熱端笛形管壓差及各測點(diǎn)空氣溫度值，記錄工作每隔2~3分鐘進(jìn)行一次，取三次讀值的平均值作為該點(diǎn)工況的測試數(shù)據(jù)。依次調(diào)整可調(diào)參數(shù)（整個實(shí)驗(yàn)可將可調(diào)參數(shù)在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)均勻地分成3~5個工況點(diǎn)進(jìn)行測定），重復(fù)上述步驟，測定和記錄其它工況點(diǎn)的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，首先停止電加熱器工作，5分鐘后停止冷、熱端風(fēng)機(jī)工作，切斷電源。實(shí)驗(yàn)臺可進(jìn)行以下三種狀態(tài)實(shí)驗(yàn)：（1）熱管換熱器垂直放置，固定冷、熱端空氣流量，改變熱端空氣進(jìn)口溫度（溫度調(diào)節(jié)范圍：60?100°C)（2）熱管換熱器垂直放置，固定熱端空氣進(jìn)口溫度，同步改變冷、熱端空氣流量（亦可單獨(dú)改變冷端或熱端空氣流量）。（3）固定熱端空氣溫度及冷、熱端空氣流量，改變熱管換熱器傾斜角度。

操作注意事項(xiàng)】注意：熱管換熱器工作溫度（熱風(fēng)進(jìn)口溫度）為60~1OO°C，切勿超溫使用，以防損壞熱管。停止電加熱器工作后，冷、熱端風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作五分鐘后切斷電源。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理】1冷端空氣流量! 2(P-P)[m/s][m3/s][m/s][m[m/s][m3/s][m/s][m3/s][W][W][W]L\Lp1 L流量： VL=FLVL2.熱端空氣流量' 2(P-P)流速： V= R Rj-R\RpTOC\o"1-5"\h\z1 R流量： VR=FRVR3?冷端換熱量 Q =1005V p (T —T)L LLL2 L14?熱端換熱量 Q =1005V p (T —T)R RRR2 R1Q+Q5.平均換熱量 Q二筆R熱平衡誤差Q-Q

A=Mr=lx100%Q傳熱系數(shù)FAtR式中：PL，PR—冷、熱端測速段全壓[Pa]LRPLj，PRj—冷、熱端測速段靜壓[Pa]LjRj△PL,△PR—冷、熱端測速笛形管壓差[Pa]LRE=1.005,g=1.006—冷、熱端測速段笛形管壓差修正系數(shù)LR￡,￡—冷、熱端測速段笛形管流量修正系數(shù)，取1.05LRp，p—冷、熱端測速段空氣密度[kg/m3]LRTL1,TL2—冷端空氣進(jìn)出口溫度 [C]TR1,TR2—熱端空氣進(jìn)出口溫度 [C]A——傳熱溫差A(yù)tA