传热系数测定方法详解

为了鉴定一台新设计的热交换器能否达到预定的传热性能，或检验一台已运行一段时期的热交换器的实际性能有何变化，或确定在改变远行条件下（如改变参数与热交换器的介质）的传热性能，或为了比较不同型式和种类的热交换器的传热性能的好坏，常常需要测定热交换器的传热系数。

根据传热计算的基本方程式，可以得出传热系数K为

对于一台已有的热交换器，传热面积F是已知值。传热量Q在不计热损失的条件下可以通过热平衡方程式来计算。在非顺流或逆流的情况下，Δtm可以按逆流时对数平均温差Δt1m，c，再乘以修正系数ψ来求得。因而，只要在实验中测得冷、热流体的流量和进、出口温度，并利用流体的热物性数据表查得它们的比热数值，即可求得在相应的运行条件下的传热系数K值。

今以某一实验装置为例，说明实验测定K值的方法和步骤。图6.1为水-水套管式热交换器的实验系统。电热水箱1中的水在被加热到一定温度后，经水泵2送入套管热交换器的内管，与套管的夹层空间6中流过的冷却水换热后返回热水箱。冷水从冷却水池（或其他来源）进入冷水箱8，被水泵9抽出后，通过阀12和温度测点18（构成逆流工况），或通过阀11和温度测点17（构成顺流工况），进入夹层空间6，再由测点17、阀13（逆流时），或测点18、阀14（顺流时），排入冷却水池。冷、热水温度可用玻璃温度计或热电偶等方法测量，分别在测量点17、18及15、16处读取。冷、热水流量可用孔板流量计，转子流量计或涡轮流量计（配频率计数仪）等方法测量，分别在流量计10、4处读取。热水箱的水温用可控硅电压调节装置控制其维持在某一稳定的数值上。

图6.1 水-水管套式热交换器实验系统

1-电热水箱；2-水泵；3、11、12、13、14、19-阀门；4、10-流量计；5-内管；6-套管7-保温套；8-冷水箱；9-水泵；15、16、17、18-温度测点；20-电加热器

对于水-水热交换器类型的实验，可按以下步骤进行：

（1）了解实验系统、操作方法及测量仪表的使用方法。

（2）接通热水箱电加热器的电源，将水加热到预定温度。

（3）启动冷、热水泵。

（4）根据预定的实验要求，分别调节冷、热水流量达到预定值，然后维持在此工况下运行。

（5）当冷、热水的进、出口温度均达稳定时，测量并记录冷、热水流量及各项温度值。

（6）改变冷水（或热水）流量若干次，即改变运行工况，再进行步骤（5）的测量。

（7）如需要，调节加热功率，将水加热到另一预定温度，重复（4）～（6）步骤。

（8）实验中如有必要，可以改变任一侧流体的流向，重复（5）、（6）两步骤。

（9）实验完毕依次关闭电加热器、热水泵及冷水泵等。

为使实验正确而又顺利地进行，实验过程中应注意以下几点：(www.xing528.com)

（1）实验前必须校验所使用的仪器仪表在系统中的安装位置与校验方法是否适当，以保证测量数据的准确。

图6.2 测温混合器

（2）实验中，如流体进出口温差不大，应特别注意测温的准确。方法有：采用高一级精度的温度计，如用1/10℃刻度的玻璃温度计；在测点处接入一个混合器（图6.2）使流体充分地混合，同时在管径较小时仍能保证玻璃温度计有相当大的插入深度；测点加以保温。

（3）当热交换器的散热面较大，或热交换器的外壳温度与室温相差较大时，应将热交换器的外壳保温，以减小热平衡误差。

（4）为了提高流量测量的精度，对于液体流量的测量，在有条件的测量系统中，可考虑采用直接称重法测定（特别是在流量较小时）。

（5）每一个实验工况应在稳定条件下测定。但绝对的稳定是不可能的，只能要求被测量值在允许范围内波动。所以，每改变一个实验工况，应有相当的时间间隔（如20min左右），并视各点温度值基本不变时才测取。测定中，对于同一个实验工况，应连续同时测取各点数值三次，以便在数据整理时淘汰不符合要求的值（见数据整理注意事项）。

（6）在利用蒸汽加热的热交换器中，在实验过程中应特别注意在适当部位排放非凝结性气体（如空气），否则将严重影响数据的准确性。

对于实验数据的整理，应注意以下几点：

（1）关于传热量Q 由于种种原因，通过测试求得的冷流体吸热量不会完全等于热流体的放热量，所以应以它们的算术平均值，即Q=（Q1+Q2）/2作为实际的传热量。在某些情况下，如果可以确认其中某一侧的热量计算可靠，而另一侧的热量难以准确计算时，则也可以该侧的热量为依据。例如，对一般的油-水热交换，水的比热可以相当准确地得出，但油的比热如未经专门的实验测定，仅凭一般手册上的数据，那是不可靠的，此时就可以水侧的换热量作为传热量。

图6.3 K=f（w）曲线

（2）关于数据点的选取 实验过程中，误差总是避免不了的。为了保证结果的正确性，在数据整理时应舍取一些不合理的点。通常，工程上以热平衡的相对误差

为标准。凡δ＞5%的点，应予舍弃。在实验中进行的测定，属于非工程性实验，此相对误差还可以取得稍微小一些。

（3）关于传热面积 前述各章中已经指出，对于大多数热交换器，计算传热系数时，有一个以哪一种表面积为基准的问题，在整理实验数据时同样应注意这一问题。

（4）为了较直观地表示热交换器的传热性能，通常要用曲线或图表示传热系数K与流体流速w之间的关系（见图6.3）。并且，常常选取流速w=1m/s时的K值作为比较不同型式热交换器的传热性能的标准（与此同时还应比较它们的阻力降Δp。）

（5）为使实验结果清晰明了和便于分析，最后可将测得的数据和整理结果列成表格。

对于汽-液冷凝用热交换器及汽-液蒸发用热交换器的实验步骤及数据整理还有其它要求，读者可参阅国家标准GB/T27698.1—2011。