对流传热系数的测定实验报告.docx
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对流传热系数的测定实验报告
淅江丈禽
化学实验报告
课程名称：
过程工程原理实验甲
实验名称：
对流传热系数的测定
指导教师：
专业班级：
姓名：
学号：
同组学生：
实验日期：
实验地点：
一、实验目的和要求2
二、实验流程与装置2
三、实验容和原理3
1.间壁式传热基本原理3
2.空气流呈的测定5
3.空气在传热管对流传热系数。
的测定6
3.1牛顿冷却定律法6
3.2近似法6
3.3简易Wilson图解法7
4.拟合实验准数方程式8
5.传热准数经验式8
四、操作方法与实验步骤9
五、实验数据处理10
1.原始数据：
10
2.数据处理10
六、实验结果13
七、实验思考14
、
实验目的和要求
1）掌握空气在传热管对流传热系数的测定方法，了解影响传热系数的因素和强化传热的途径；
2）把测得的数据整理成=形式的准数方程，并与教材中公认
经验式进行比较；
3）了解温度、加热功率、空气流量的自动控制原理和使用方法。
二、
实验流程与装置
本实验流程图（横管）如下图1所示，实验装置由蒸汽发生器、孔板流量计、变频器、套管换热器（强化管和普通管）及温度传感器、只能显示仪表等构成。
空气-水蒸气换热流程：
来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器，与被风机抽进的空气进行换热交换，不凝气或未冷凝蒸汽通过阀门（F3和F4）排岀，冷凝水经排出阀（F5和F6）排入盛水杯。
空气山风机提供,流量通过变频器改变风机转速达到自动控制,空气经孔板流量计进入套管换热器管，热交换后从风机岀口排出。
注意：
普通管和强化管的选取：
在实验装置上是通过阀门（F1和F2）进行切换，仪表柜上通过旋钮进行切换，电脑界面上通过鼠标选择，三者必学统一。
图1横管对流传热系数测定实验装置流程图
图中符号说明如下表:
符号
名称
V
空气流量
tl
空气进口温度
t2
普通管空气出口温度
t3
强化管空气出口温度
Tl
蒸汽发生器的蒸汽温度
T2
普通管空气出口端铜管外壁温度
T3
普通管空气进口端铜管外壁温度
T4
普通管外蒸汽温度
T5
强化管空气出口端铜管外壁温度
T6
强化管空气进口端铜管外壁温度
T7
强化管外蒸汽温度
单位
备注
m/h
紫铜管规格①19X1.5mm
°C
有效长度1020mm
°C
°C
Fl,F2为管路切换阀门
°C
F3,F4为不凝气排出阀
°C
F5,F6为冷凝水排出阀
°C
°C
°C
°C
°C
三、实验容和原理
在工业生产过程中，大量情况下，采用间壁式换热方式进行换热。
所谓间壁式换热，就是冷、热流体之间有一固体壁面，两流体分别在固体壁面的两侧流动，两流体不直接接触，通过固体壁面（传热元件）进行热量交换。
本装置主要研究汽-气综合换热，包括普通管和加强管。
其中，水蒸气和空气通过紫铜管间接换热，空气走紫铜管，水蒸气走紫铜管外，采用逆流换热。
所谓加强管，是在紫铜管加了弹簧，增大了绝对粗糙度，进而增大了空气流动的湍流程度，是换热效果更明显。
1•间壁式传热基本原理
如图2所示，间壁式传热过程山热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热组成。
图2间壁式传热过程示意图
间壁式传热元件，在传热过程达到稳态后，有：
Q=mlCpl（7l~?
2）=m2Cp2（t2~上1）
=a/]（T-Tw）m=a2A2^w~%
=KA^m
（1）
热流体与固体壁面的对流平均温差可山
（2）式计算:
*
热、冷流体的对数平均温差可山（4）式计算:
%=
.（儿-叨-（丁2・3
叫宀（4）
式中：
Q热流量，J/s；
mi,m2一一分别为热、冷流体的质量流量，kg/s
知，％一一分别为定性温度下热、冷流体的比热，j/（kg-°C）
G,T2----分别为热流体的进出口温度，°C
上2,5----分别为冷流体的进出口温度，°C
幻，衍----分别为热、冷流体与固体壁面的对流传热系数，”/（尬2・°C）州，A2一一分别为热、冷流体的传热面积，rn2
（丁-心儿,（15人一一分别为热、冷流体与固体壁面的对数平均温差，°C
K----以传热面积力为基准的总传热系数，”/（加2・°C）
A----平均传热面积，尬2
比—--冷、热流体的対数平均温差，°C
由实验装置流程图可见，本实验的强化管或普通管换热，热流体是蒸汽，冷流体是空气。
2.空气流量的测定
空气在无纸记录仪上现实的体积流量，与空气流过孔板时的密度有关，考虑到实际过程中，空气的进口温度不是定值，为了处理上的方便，无纸记录仪上显示的体积流量是将孔板出的空气密度卩0当作lkg/m讣寸的读数，因此，如果空气实际密度不等于该值，则空气的实际体积流量应该山下式进行校正：
«V
V=~（=個（5）
空气质量流量=（6）
式中：
I/'__空气实际体积流量，m3/s
V----无纸记录仪上显示的空气的体积流量，
Po一一空气在孔板处的密度，kg/m［本实验中％即为空气在进口问
题S下对应的温度。
3.空气在传热管对流传热系数Q的测定
3.1牛顿冷却定律法
在本装置的套管加热器中，环隙通空气，水蒸气在紫铜管表面冷凝放热而加热空气。
在传热过程达到稳定后，空气作为冷流体，空气侧传热由式
（1）可得：
mc（t2-t^=aA（tw-t）in（7）
a=
即力（5-如（8）
抵，1和抵，2分别是换热管空气进口处的壁温度和空气出口处的壁温度，当管材料导热性能很好，即久值很大，且管壁厚度较小时，可认为口产51及口2~52,人门和丁吃分别是空气进口处的换热管外壁温度和空气出口处的换热管外璧温度。
一般情况下直接测量固体壁面温度，尤其是管壁温度，实验技术难度较大，因此，工程上也常采用通过测量相对较易测定的流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流传热系数。
3.2近似法
以管壁面积为基准的总传热系数与对流传热系数间的关系为：
疋二耳+心2+兀+心1石+顾
式中：
"1,d2----分别为换热管的外径、径，rn
咕一一换热管的对流平均直径，加
b-—换热管的壁厚，m
久----换热管材料的导热系数，"/（nv°C）
Rsl,Rs2—一分别为换热管外侧、侧的污垢热阻，m2-K/W
总传热系数K可山式
（1）得:
用本装置进行实验时，管空气与管壁间的对流传热系数也约儿十到儿白"/（m^K）,而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数幻可到数万"/（m'.K）,因此
“2
冷凝传热热阻両可忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻D纟
si可也可忽略。
实验中的传热元件材料釆用紫铜，导热系数人为383.8”/血•K）,
bd2
壁厚为1.5mm,因此换热管壁的导热热阻码可忽略。
若换热管测的污垢热阻兀2也可忽略，则由式（9）可知，
伉=K（11）
山此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法测得的Q的准确性就越高。
3.3简易Wilson图解法
空气和蒸汽在套管换热器中换热，空气在套管被套管环隙的蒸汽加热，当管空气做充分湍流时，空气侧强制对流传热系数可表示为
将式（12）代入式（9）,得到:
依据3.2的分析，式（13）右边后侧三项在本实验条件下可认为是常数，则由式（13）可得：
V—X=—
式（14）为Y=mX^B线性方程，以丫一久Z作图，可求得直线斜率叫
于是得到：
（15）
Cu08
4.拟合实验准数方程式
III实验获取的数据计算出相关准数后，在双对数坐标纸上，拟合儿〜心直线,从而确定拟合方程，得出实验式：
叫"肘（16）
式中：
叫一一努塞尔数，“厂兀无因次；
nR-pUd
Re-一-雷诺数，叫-〒,无因次。
5.传热准数经验式
对于流体在圆形直管做强制湍流对流传热时，传热准数经验式为：
Nlf=0.023ReadPrn（1?
）
Pp=岂
式中：
Pr__普兰特数，耳-心无因次。
上式适用围为：
%=1.0x10"〜1.2xlO〔pr=0.7~120,管长与管径之比
厶/d二60。
当流体被加热时乳=0.4,流体被冷却时n=0.3。
式中：
久----定性温度下空气的导热系数，"/（m'C）
“一--空气在换热管的平均流速，m/s
P----定性温度下空气的密度，灼卅
在本实验条件下，考虑3变化很小，可认为是常数，则（17）式改写为：
Nu=O.O2/?
e08
附注：
在0〜100吒之间，空气物性与温度的关系式有如下拟合公式：
（1）空气的密度与温度的关系式：
p=10~t2-4.5X10_3t+1.2916
（2）空气的比热与温度的关系式：
60C以下％=1005〃（幼・。
0
60C以上"=1009〃（畑・。
0
（3）空气的导热系数与温度的关系式：
A=-2x10_V+8xl0~5t+0.0244
（4）空气的黏度与温度的关系式：
H=（-2x10_t2+5x10~3t+1.7196）x10_5
四、操作方法与实验步骤
1）检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常，将蒸汽发生器灌水至
4
液位不低于5处；
2）打开总电源开关、仪表开关，开启蒸汽发生器加热，同时，全部开启两个不凝气排出阀，通过电脑设置温度在103°C；
3）等有大量不凝气体冒出时，蒸汽缓缓进入换热器环隙以加热套环换热器,此时关闭不凝气体排出阀，打开冷凝液排出阀，使环隙中的冷凝水不断地排出，此时应保证有少量蒸汽冒出，且环隙不能有大量冷凝液积留；
4）启动风机，选择普通管，通过控制软件的流量设定依次设定20,14,10,7尬'/®待流量和热交换稳定后，釆集4组数据：
6）实验结束后，先关闭蒸汽发生器，待蒸汽温度下降到95°C以下后，关闭风机电源，总电源，清理实验器材。
五、实验数据处理
1•原始数据:
管道名称
加热器汽相温度/°c
管外蒸汽温度/°c
蒸汽出口处壁温/°c
蒸汽进口处壁温/°c
冷流体流量（n?
/h）
冷流体出口温度厂C
流进温°C冷体口«/
通
普管
103.083
102.334
100.724
101.774
20.0769
65.674
25
103.146
102.42
100.724
101.712
14.1389
68.79
24.874
103.02
102.344
100.724
101.65
10.091
70.84
24.686
103.02
102.39
100.724
101.712
7.06272
72.984
24.686
强化
管
102.955
101.264
101.35
101.462
19.5817
73.53
25.5
强化管
103.146
101.42
101.474
101.524
11.9574
76.56
25.186
103.02
101.254
101.35
101.1
7.08613
78.26*1
25
2.数据处理
以强化管第一次数据（空气流量为20m3/h）为例，由式（4）可得:
At
（八-小盼卯
（101.264-73.53）-（101.264-25.5）
In1012647353
=47.793°C
在空气进口温度S下，空气密度:
=10-%2-4.5x10-先+1.2916=IO'5X25.52-4.5XIO'3X25.5+
=1.183
则山式（5）可得：
由式（6）可得:
77Z=VpQ=5.001x10'x1.183=5.917x10"^kg/s
255+7353
^4^=49.515°C<60°C
则空气比热为5=1°°5〃（炀•°C）
于是,由式（10）得:
为利用Wilson图解法，可求
管道名称
质量流量/（kg/s）
K/W/（^2・C）
u/（m/s）
1
K
1
普通管
6.072E-03
74.813
25.477
0.013
0.075
普通管
4.277E-03
58.981
17.938
0.017
0.099
普通管
3.054E-03
45.486
12.802
0.022
0.130
普通管
2.137E-03
34.278
8.957
0.029
0.173
^=98l38=001°,
5.00lx10'3
^X0.01624-4
i
24.873°0
于是可得下表表2
强化管
5.917E-03
98.156
24.869
0.010
0.076
强化管
3.615E-03
66.867
15.178
0.015
0.114
强化管
2.143E-03
42.416
8.992
0.024
0.173
根据上表可作出下图
1曲0.8
Linear^通管）
Line前虽化管］
由式（15）可得：
表3
管道名称
普通1
普通2
普通3
普通4
强化1
强化2
强化3
«/w/（m=・C）
82.350
62.197
47.487
35.686
93.412
62.928
41.397
以强化管第一组数据为例:
空气的导热系数求得：
-2X10-V+8X10'5t+0.0244=-2X10"8X49.5152+8X1049.515+0.0244=0.028312VK/（m-°C）
空气的黏度求得:
“二（-2X10一％2+5x10一*+1.7196）X10'5=1.95957X10'5Pn-s
空气的密度求得:
p=10'5t2-4.5X10'3t+1.2916=1.108^/m3
则有
Ntt^Re
ad
N=——uA
93.412x0.016
=-52.79
0.028312
pud
1.108x24.869x0.016
=一-22200.18
1.95957x10"5
同样的方法可得到下表：
表4
管道名称
普通1
普通2
普通3
普通4
强化1
强化2
强化3
Nu
47.08
35.41
26.97
20.21
52.79
35.43
23.26
Re
23290.46
16258.97
11542.34
8026.64
22200.18
13445.61
7931.69
利用双对数坐标纸拟合N厂心直线可得到如下图：
六、实验结果
1）普通管和强化管不同空气流量下的对流传热系数如表2,从表中易得，对流传热系数G随流量的增大而增大；且相同条件下强化管的对流传热系数要比普通管大。
2）由%〜％直线图可得到
普通管：
儿=0.016肿・7942
强化管：
叫"0183R严64
山此可见，强化管的图像始终在普通管的上方，即相同条件下努塞尔数更大,对流传热系数更大，故此，换热效果更好。
08
但同公认的经验式叫=0.02Re，比较，虽然比较接近，但即使是强化管也比理想值偏小，传热系数与蒸汽消耗量、换热时间、空气流量和温度、冷凝水是否及时排出、以及热量损失等因素有关，但在此实验中山于蒸汽温度与室温的差距（约80°C）较大，故应该受热量损失的影响最大。
其次，由于横式套管换热器比较平，则冷凝水的排出效率会低一些，所以对传热系数的影响也比较大。
七、实验思考
1）实验中冷流体和蒸汽的流向对传热效果有何影响？
在一般的套管换热器中，冷流体和蒸汽采用逆流和并流时，它们的出口温度都会发生变化，故而传热效果会有所不同；但在本实验中，由于蒸汽在环隙中的温度可认为是处处相等的，因此无论并流还是逆流传热效果都一样。
2）在计算冷流体质量流量时所用的密度值与求雷诺数时所用的密度值是否
一致？
它们分别是在什么位置的密度，应在什么条件下进行计算？
二者并不一致。
计算冷流体质量流量时，孔板流量计在套管换热器系统之外，故而此时应采用孔板流量计处（即空气入口处）空气的密度值；计算雷诺数时，应釆用空气在套管流动的定性温度下的密度值。
3）实验过程中，冷凝水不及时排出，会产生什么影响？
如何及时排走冷凝水？
如果釆用不同压强的蒸汽进行实验，对比关联式有何影响？
冷凝水如果不能及时排出，则会附着再管外壁上，形成液膜，使传热效果下降。
为使冷凝水及时排出，冷凝水排出阀不能开得过小，且安装位置应在外管最低处。
在管对流传热系数的表达式有：
«二0.02碌罟严（器严
当蒸汽压强增大时，蒸汽温度升高，但变化量很小，从而对管的冷流体空气的影响也很小，所以对比关联式基本无影响。
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