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换热器性能实验
一、实验目的
通过该实验达到以下几方面的教学要求：
1. 掌握间壁式换热器传热系数的测定方法；
2. 掌握间壁式换热器的热工计算方法，了解影响换热器工作性能的因素；
3. 确定换热器气侧换热面的传热特性，即传热因子和雷诺数的关系；
4. 熟悉流体流速、流量、差压、温度等参数的测量技术；
5. 熟悉用计算机进行数据采集和处理的实验方法。
二、实验台系统组成、设备及仪表
1. 实验台系统
实验台系统由实验台本体（包括风源箱）、热水源及可控硅温度控制器三大件组成。三大件各自独立，有较大灵活性。系统简图示于图1。
实验台本体结构紧凑，吸风口、调风门、整流栅及毕托管紧凑地组合在一起。实验用的换热器置于风源箱出风口上。
水箱、管路、水泵、涡轮流量计、调节阀、加热器及电阻温度计组合成一个独立的热水源。
三相可控硅温控装置温度控制精度为±0.1℃。
换热器中流体流动形式可认作为二次叉流，水-空气流向为逆流。需测参数共计七个：换热器进出、水温度，进、出空气温度，大气温度，水流量及空气流量。水侧和气侧进出口温度用铜-康铜热电偶测量。水侧进出口温度测点tw1，tw2布置在换热器进出口水管内；进口空气温度测点ta1布置在紧靠换热器的进口截面处，用3对热电偶并联进行测量；空气出口温度测点ta2布置在换热器出口截面后的均温段出口处，用9对热电偶并联进行测量。
换热器内水流量用涡轮流量计测量，空气流量用风机进风口内的毕托管及微差压传感器进行测量。
上述七个参数均由数据采集系统自动进行采集，并由计算机及时整理数据。
2．主要设备及性能
(1) 实验台本体(包括风源箱)
(a) 风机： 风量： 800 m3/h、风压： 580 Pa；
出风口尺寸：233×155 mm；
进风口测速段直径：φ138 mm
(b) 换热器：
换热器为一紧凑的翅片管间壁式散热器，由铜管束套皱折的整体铝翅片构成。结构参数为 管束：紫铜管
管外径： do=8 mm； 管内径： di=7.2 mm
管节距： 横向： s1=18.5 mm； 纵向： s2=28 mm
翅片：铝质、皱折、整片
翅片厚 δ=0.1 mm；翅片距 t=1 mm； 翅片数：m=231
水侧结构尺寸：
横向管数：n1=8； 纵向管排数：n2=2
总管数：n=n1×n2=16
水侧并联管数：n3=n1=8
管子总长度： =α×n
通道面积：FW = ?n3 ?di4
气侧结构尺寸：
通道尺寸：a=233 mm，b=155 mm，h=42 mm
迎风面积：fa=a·b
换热总面积：Aa=2bhm－2× d02. π/4nm+(a-mδ)2πd0n
特征尺寸：Da=4V Aa =4abh Aa
(2) 热水源：
水箱尺寸：440×250×550 mm
水泵： 流量：0.6m3 / h ； 压头：0.1 MPa
电机功率： 80 W，220 V；
电加热器：共3只，每只3 kW，220 V
(3) 可控硅温度控制器
型号：DWK型三相温控装置
输入信号：热电阻Pt100 (WZP-231型)
输出功率：三相10kW； 输入电源：三相380V
(4) 测量仪器和传感器
(a) 进出水温和进出气温及大气温度均用铜-康铜热电偶。
(b) 水流量用LWGY-10A型涡轮流量计。基本误差±1%。
(c) 空气流量用毕托管及微差压传感器测量。
微差压传感器技术指标：
型号：setra264型，量程0~25mmH2O, 精度：±1 %FS
(d) 数据采集处理系统，包括：
换热器性能实验
(i) HP34970A数据采集单元及功能插板；
(ii) 计算机；
(iii) HP82350A接口板；
(iv) 接口电缆。
三、实验原理及实验数据处理
1．测定换热器传热系数及其变化规律
在某一稳定工况下热水在换热器管内流动，其放热量为：
Qw=Mw.cpw(tw1－tw2) (W) (1)
空气在换热器管外流过，吸收热量为：
Qa=Ma.cpa(ta2－ta1) (W) (2)
以Qw和Qa的平均值作为换热器的换热量，
即 Q=(Qw+Qa)/2 (W) (3)
换热器的热平衡误差为：
δ =(Qw -Qa)/Q×100%
误差δ<10%，认为数据有效。
传热系数：
K=Q/Aa△tm [W/(m2.℃)] (4)
以上各式中：
tw1，tw2 —水进、出口温度(℃)；
ta1，ta2—空气进、出口温度(℃)；
Mw，Ma—水和空气的质量流量(kg/s)；
cpw，cpa—水和空气的比热[J/(kg·℃)]；
Aa—气侧换热总面积(m2)；
△tm—平均温差。
对本换热器而言，水-空气流动方式接近于二次叉流，其平均温差可近似用逆流对数平均b温差计算：
△tm= (tw1 - ta2) - (tw2 ? ta1)/ln(tw1 - ta2)/(tw2 - ta1)
换热器工作时，空气流速、水速及水温的变化对传热系数K都有影响，其中空气流速影响较大。
实验时，控制阀门开度维持稳定的水流量，由温控器保持稳定的水温，然后多次改变空气流量进行试验，可得出某水温、某水流量下传热系数随空气流量的变化规律。
2．测定气侧换热面的传热规律，即传热因子J与雷诺数Re之间的关系。
本换热器为带翅片的圆管，换热器热阻由以下几部分组成：
其中：rfw ,rfa —水侧和气侧的污垢热阻；(m2?℃/W)
αw,αa —水侧和气侧的换热系数；(W/m2.℃)
η —气侧的肋壁效率；
ln(do / di)/2 πλl —管壁导热热阻；(℃/W)本实验台上可忽略污垢热阻，(5)式可简化为：
其中： 1/KA 由实验求得：
1/KA = △Tm /Q (7)
水侧换热系数αw 可按水在管内流动的换热准则计算确定，于是由(6)式可求得气侧换热表面的热阻 1/αaηAa 。气侧换热面的换热规律可用J－Re关系来表示，传热因子J可用折算换热系数αA=αa·η来定义：
雷诺数Re用空气流经换热器的迎面质量流速Ga来定义：
Re= Ga.Da/ μ (9)
其中，迎面质量流速Ga= ma/Fa [kg/(m2·s)]；
特征尺寸Da可用下式定义：
Da=4V/ Aa (10)
其中：V为气侧通道所占体积，V=a·b·h (m3)；
Aa为与空气接触的表面积，即气侧传热总面积(m3)。
采用上述传热因子J和雷诺数Re的定义法处理数据，可使其结果应用较方便。
实验工况可安排在不同的空气流量下进行，将各工况所测结果按上述处理方法计算出相应
的J与Re，然后绘在双对数坐标纸上，即可得出其J~Re的变化规律。
四、可控硅温控装置使用方法：
1．操作面板介绍(见图2)
2．操作步骤：
⑴ 接好电阻温度计；接妥三相电源；
⑵ 打开总电源开关，则电源指示灯亮；
⑶ 按XTMA-1912数显调节仪功能键“FUN”和加数键“?”或减数键“?”选择“SP”（设
定参数）功能，进行被控温度设定值及调节参数（PID）的设定，也可进行温度上下限报警值
的设定；
⑷ 手动/自动切换开关置于手动位置，把手动调节电位器调到零位，按主回路合闸按钮（绿色按钮）使主回路通电，调节手动电位器从0到100%，电压表及电流表应从最小平稳变化到最大，且三相应基本均衡，则表示正常，若三相很不平衡、则可交换输入电源线的相序再试；
⑸ 手动/自动开关置于自动位置，XTMA-1912调节仪即自动对水箱水温进行控制；
⑹ 若水温超过报警上限，则响警铃，亮红色报警灯，同时自动断开主电源，负载停止加热。复位需手动，待降温后重新加热，或检查故障；
⑺ 工作完毕，手动/自动开关置手动，手动调节电位器置零位。按红色主回路断开按钮切断主电源，关掉仪表电源。
五、实验步骤及注意事项：
1．实验步骤：
⑴ 接通可控硅温控装置电源，开启温控装置，设定热水的加热温度；
⑵ 开启回水阀，开启水泵，改变调节阀开度调节水流量；
⑶ 开启风机，将风门全开；
⑷ 待水温到达设定温度并稳定5分钟后，读取有关数据（注意水流量也应稳定）；
⑸ 逐次减小风机风门的开度改变实验工况，每改变一次工况稳定5分钟后再读数据。
2．注意事项：
⑴ 热水温度一般设定在60℃；
⑵ 水流量一般选在350～400L/h左右；
⑶ 测传热系数K时，维持恒定水流量，改变不同的空气流速进行试验。
六、数据处理
1．打印或抄录实验数据表；
2．绘制K~Ga曲线；
3．绘制J~Re曲线。
七、思考题
1．影响间壁式换热器性能的因素有哪些？
2．增强间壁式换热器性能，主要应从哪些方面着手？
3．本实验台产生测试误差的重要环节是什么？如何改进?
4．从本实验的结果分析，什么条件下热平衡误差较大？为什么？
附录
数据自动采集和处理系统
本实验台所配的数据自动采集处理系统由HP34970A数据自动采集单元通过接口板及接
电缆和计算机相连而组成。各种传感器的信号线接到HP34970A数据采集单元的功能插板上
由计算机运行预先编制的程序来控制数据采集单元进行各种参数的测量、数据处理及制表绘
等。
1．HP34970A数据自动采集单元简介
HP34970A是一个轻巧便携式的数据自动采集单元，测量精度高，内置数字电压表为 6.1/2 精度。它可直接测量热电偶、电阻温度计、热敏电阻等所检测的温度以及直流电压、交/直电流、电阻、频率和周期等物理量，还有数字输入/输出和控制功能。
采集单元共有三条插槽，可用来插入不同类型的功能插板，可供选购的功能插板共有八
（本实验室只订购HP34901A和HP34907A两种）：
(a)HP34901A——20通道带热电偶补偿的多路转接板
可测量温度、电压、电阻、频率。另有二个通道可测量电流。通道扫描速率为60通道/
(b)HP34902A——16通道带热电偶补偿的舌簧多路转接板 可测量温度、电压、电阻、频率。 通道扫描速率为250通道/秒。
(c)HP34903A——20通道促动器/开关插板
可用来控制外电路的闭合或断开。
(d)HP34904A——4×8矩阵开关插板
(e)HP34905/6A——两组4通道射频多路转接板
用来测量音频信号（50Ω/75Ω）。
(f)HP34907A——多功能插板
两个 8-bit 数字输入/输出通道；100kHz 累计输入；两个±12V直流电压输出。
(g)HP34908A——40通道带热电偶补偿的单端多路转接板
可测量温度、电压和电阻。
2．HP34970A数据采集单元面板及显示屏
1) 前面板菜单键
前面板的显示屏幕会根据仪表的状态显示各种标记灯，各种标记灯亮的含义为：SCAN 表示仪器正在进行通道扫描，再按下SCAN 键则停止扫描MON 表示正在监视某通道，再按MON键则停止监视VIEW 表示正在观看被扫描的读数、报警CONFIG 表示正在对所显示通道进行功能设置* 表示正在进行测量ADRS 表示仪器正在通过远接口被指定为听（Listen）或说(Talk)RMT 表示仪器处在远控状态ERROR 表示正检测到硬件出错或远接口出错，按VIEW键可观看出错的内容提示EXT 表示仪器被设置到响应外部扫描间隔状态 ONCE 表示启用一次扫描状态，按一下scan键可开始扫描，而按住 scan键不动，则可撤消此状态
MEN 表示在读储存器溢出，新读数将覆盖最老的读数
LAST 表示所观察的数据是最近一次扫描期间所存储的最后一个读数
MIN 表示所观察的数据是最近一次扫描期间所存储的最小读数
MAX 表示所观察的数据是最近一次扫描期间所存储的最大读数
SHIFT 表示已按过shift键，再按shift键可予以回复
4W 表示在所显示通道中正在使用4线制
OC 表示在所显示通道中正在启用编置补偿
表示在所显示通道中正在启用报警功能
表示在所显示通道中正在启用MX+B的比例尺
表示对所指定的报警中已出现上限或下限报警
3）后面板简介
3．HP34970A数据自动采集单元的面板手动操作
1) 开/关电源
接好电源线后，按下前面板左下方园形按钮，即可接通电源，再次按下该钮，则关闭电源
2) 选择通道
转动前面板右下方的选择旋钮可手动选择通道，顺时针转动此旋钮，则屏幕右端显示的通道号增大，反之减小。使用旋钮上面的 和 按键可跳到前一槽道或后一槽道的第一通道。
3) 做自检
当开电源时同时按住shift键不放直到听见长鸣声再放开此键，即开始自检
4) 设定时间和日期
①设定时间
按shift+Advanced键，可出现时间显示屏，用 和 键来选择要设定的“时”，“分”及“PM”或“AM”部分，再用右下角的选择旋钮来改变要设定的数值。
②设定日期
按Advanced键，出现日期显示屏，用 和 键来选择“月”，“日”，“年”部分，再用选择
旋钮来改变其数值。
5) 设置一个通道进行扫描
①选择一个通道
转动选择旋钮使前面板显示屏右端显示出所要求的通道号，通道号由三位数组成。如103，
210等，其中第一位数表示槽道号，后两位数表示通道号，即103表示是第一槽道中的第三通道，
210表示第二槽道中的第10通道。
②为所选通道设置测量功能
为此，按一下Measure键，屏幕显示将自动引导你通过有关选项让你为所要求的测量功能
设置好参数，例如，为使103通道设置为进行铜-康铜热电偶测温，其步骤为：
a、转动选择旋钮使通道显示器显示“103”；
b、按Measure键，这时屏幕上会显示出某种参数名，例如DC VOLTAGE，旋转选择旋钮，
屏幕依次显示出其它可测参数名，当显示Temperature时，再按Measure键，即确认作温度测量；
c、再旋转选择旋钮，屏幕依次显示各种温度传感器名，如TC，RTD等，当出现Thermocouple
时，按Measure键，确认传感器为热电偶；
d、再旋转选择旋钮，屏幕出现各类热电偶类名，当出现T-Type时按Measure键确认为铜-康铜热电偶。
以后还将引导你选择显示单位（℃，oF或K）、显示位数等，可按类似步骤加以选定，直到屏幕出现DONE，即表明已为103通道作好测量的设置工作。
③扫描测量
按下scan键，仪器将自动地按顺序从第一槽道开始对作过设置的通道进行扫描直到第三槽道最后通道为止，对未作设置的通道则自动跳过。
④观看扫描所得数据
扫描所得的每个读数都有各自时间标记存在永久储存器中，仪器会自动计算扫描表列中各通道在扫描期间各次扫描所得读数的最大值、最小值和平均值并加以储存，可在任何时候读出存储器中的数据内容。
为在面板显示屏上观看存储的数据，需按下View键，屏幕显示View菜单，选择Reading并
再按View键，然后用 和 键来选择你想要看的数据。
4．功能插板的接线方法
各种传感器的信号线都接到相应的功能插板的接线柱上，功能插板的使用及各种传感器信号线的接线方法见HP34970ADataAcquisition/Switch Unit“User’s Guide”第20、21页图示。
5．计算机和采集单元的联机使用
1) 硬件联接
计算机和HP34970A采集单元是通过HP82350接口卡及接口电缆相连接的，HP82350接口卡插在计算机主板的插槽内，接口电缆一头和计算机中的接口卡相连，另一头和HP34970A背面板上的HP-IB插座相连，从而使计算机、HP34970A采集单元及各种传感器组合在一起构成完整的数据自动采集和处理系统。
2) 计算机和HP34970A采集单元的通讯
3) 数据采集和处理应用程序
HP34970A数据自动采集系统的应用程序可用多种高级语言编制，例如：Visual Basic, Visual
c++，Excel macros等。本实验台完成实验的应用程序是用Visual Basic 5.0编制的，将I/O Libraries
程序库中有关的命令、语句或子程序编制在VB主程序中即可控制HP34970完成各参数的测量并
根据实验要求整理数据，绘制图表等。至于具体的编程方法，因牵涉面较广，这里不作进一步
介绍。需要时可参考有关的计算机语言书籍以及安装好I/O Libraries程序后存于计算机内的
“HPVISAUser’s Guide”、“ HP SICL User’s GUIDE for windows”等，还可参考“HP34970 Data
Acquisition /switch Unit User’s Guide”第7章的程序例子。
6．实验步骤及注意事项
1) 实验步骤
①接通可控硅温控装置电源，设定热水加热温度；
②开启回水阀，打开水泵，调节水流量；
③开启风机，将风门开到最大开度；
④检查热电偶、压差传感器，涡轮流量计信号线及激励电源线是否接妥、电脑和HP34970的接口电缆是否联好，（各被测量参数的通道编号见注意事项）；
⑤开启HP34970采集单元，检查采集单元上各有关通道的数据是否正常；
⑥开启电脑，进入C盘(或D、E盘)，找到“传热实验”文件夹图标，双击鼠标左键即进入读文件夹，找到“换热器实验”图标，双击鼠标左键即开始运行换热器实验程序，屏幕要求输入实验台编号后出现实验对话框，对话框右边有四个按钮：开始测量（Scan Now）存数据(Savein Excel) 画曲线 (Draw Graph) 和退出 (Exit)；
⑦待水温及水流量稳定在所要求的数值后。用鼠标单击Scan Now按钮，HP34970即开始对七个参数进行五次扫描读数，扫描结束时屏幕会有提示，然后单击（Save in Excel）钮，五次数据的平均值将存入Excel，如果扫描结束时屏幕提示热平衡偏差大于10%，则可再稳定一些时间后再测量；
仪器随机附有一张光盘：HP I/O libraries for Instrument control，即仪器控制所需的输入输出程序库，该程序库包括两部分：HP虚拟仪表软件设计程序库（HP VISA）和HP标准仪表控制程序库（HP SICL）。计算机和HP34970A采集单元的通讯必须要有这些程序库，因此在计算机中安装好HP82350接口卡后必须要安装此程序库，将光盘放入光驱后会自动开始安装并用多幕对话框引导用户完成安装。
⑧第一工况测好后，将风门关小些，待工况稳定后（通常约5~6分钟），再作第二次测量
⑨作完预定的工况数后（一般作5-7个工况）可单击Draw钮，由计算机画出K-Ga曲线和J-R
曲线；
⑩单击屏幕下方的任务栏中Micro Excel，屏幕显示存在Excel中各工况下的数据，单击sheet1可显示测得的原始数据，抄录数据，供以后计算之用。
○ 11 单击屏幕下方Application of HP 3…可显示实验对话框以进行下一次测量。
○ 12 待全部工况做完后，单击屏幕下方Application of HP3…,调出实验对话框，按Draw Grap钮可观察实验曲线，或再按EXIT钮退出实验。
2) 注意事项
①可控硅温控装置设定热水温度一般取60℃；
②水流量一般选在0.08~0.1kg/s（涡轮流量计的频率数约在300~400Hz）；
③为使输给温控装置信号的电阻温度计能感受到水箱的水温，回水阀不能关死；
④采集单元功能插板中各被测参数的通道号为：
ch1——大气温度T0
ch2——空气进口温度Ta1
ch3——空气出口温度Ta2
ch4——水进口温度Tw1
ch5——水出口温度Tw2
ch6——压差传感器
ch7——涡轮流量计 |
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