01 对流传热系数的测定一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求1.掌握空气在普通和强化传热管内的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径。
2.把测得的数据整理成B Re nNu=∙形式的准数方程式，并与教材中相应公式进行比较。
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、实验内容和原理在实际生产中，大量情况采用的是间壁式换热方式进行换热，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，不直接接触，通过固体壁面进行热量交换。
本实验主要研究汽—气综合换热，包括普通管和强化管。
其中，水蒸气和空气通过紫铜管间接换热，空气走紫铜管内，水蒸气走紫铜管外，采用逆流换热。
所谓加强管，是在紫铜管内加了弹簧，增大了绝对粗糙度，进而增大了空气流动的湍流程度，使换热效果更明显。
1. 空气在普通和强化传热管内对流传热系数的测定间壁式传热过程由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所组成。
TtFigure 1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()()()()111222211122--α-α-Δp p W W m M m Q m c T T m c t t A T T A t t KA t =====（1）式中：Q ——传热量，s J /；1m 、2m ——分别为热流体、冷流体的质量流量，s kg /；1p c 、2p c ——分别为定性温度下热流体、冷流体的比热，()C kg J °•/；1T 、2T ——分别为热流体的进、出口温度，C °；1t 、2t ——分别为冷流体的进、出口温度，C °；1α、2α——分别为热流体、冷流体与固体壁面的对流传热系数，()2/W m C ∙︒；1A 、2A ——分别为热流体、冷流体测的传热面积，2m ；()W M T T -、()w m t t -——分别为热流体、冷流体与固体壁面的对数平均温差，C °； K ——以传热面积A 为基准的总传热系数，()C m W °•2/； A ——传热面积，2m ；m t Δ——冷、热流体的对数平均温差，C °。
热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（2）计算：()()()11221122----ln -W W W m W W T T T T T T T T T T -=（2）式中：1W T 、2W T ——分别为热流体进、出口处热流体侧的壁面温度，C ︒。
冷流体与固体壁面的对数平均温差可由式（3）计算：()()()11221122----ln -W w w mW W t t t t t t t t t t -=（3） 式中：1W t 、2W t ——分别为冷流体进、出口处冷流体侧的壁面温度，C ︒。
热、冷流体间的对数平均温差可由式（4）计算：()()12211221---Δ-ln -m T t T t t T t T t =（4）冷流体（空气）质量流量2m 可由式（5）计算：20'ρm V =（5）式中：'V ——空气实际体积流量，s m /3；0ρ——空气在孔板处的密度，3/m kg 。
本实验中0ρ即为空气在进口温度下对应的密度。
无纸记录仪上显示的体积流量是将孔板处的空气密度0ρ当作13/m kg 时的读数，因此，如空气实际密度不等于该值，则空气的实际体积流量应按下式（6）进行校正：'V =（6） 式中：V ——无纸记录仪上显示的空气的体积流量，s m /3。
在本装置的套管加热器中，环隙内通水蒸气，紫铜管内通空气，水蒸气在紫铜管表面冷凝放热而加热空气。
当内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度较薄时，可认为11≈W W t T ,22≈W W t T ，在传热过程达到稳定后，由式（1）可得：()()222122-α-p W m m c t t A t t =（7）即()()222122-α-p W mm c t t A t t =（8）实验中测出紫铜管的壁温1W t 、2W t ；冷流体的进出口温度1t 、2t ，并查取()1212t t t =+平均下冷流体对应的2p c 、实验用紫铜管的长度l 、内径2d ，l d A 22π=和冷流体的质量流量2m ，即可计算出2α。
一般情况下，直接测量固体壁面温度，尤其是管内壁温度，实验技术难度较大，因此，工程上通常采用通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面的对流传热系数，下面介绍其他测定对流传热系数2α的实验方法。
近似法求算空气侧对流传热系数2α以管内壁面积为基准的总传热系数与对流传热系数间的关系为：112121222αλα11d d d d R d bd R K S m S ++++=（9） 式中：1d 、2d ——分别为换热管的外径、内径，m ；m d ——换热管的对流平均直径，m ；b ——换热管的壁厚，m ；λ——换热管材料的导热系数，()C m W °•/； 1S R 、2S R ——分别为换热管外侧、内侧的污垢热阻，W K m /2∙。
总传热系数K 可由式（1）求得：()2221-ΔΔp m mm c t t QK A t A t ==（10）实验测定2m 、1t 、2t 、1T 、2T ，并查取()2121t t t +=平均下冷流体对应的2p c 、传热面积A ，即可由上式计算得到总传热系数K 。
用本装置进行实验时，考虑忽略换热管两端的污垢热阻、铜管热阻和水对流传热系数远大于空气对流传热系数，则由式（9）得，K ≈α2（11）由此可见，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2α的准确性就越高。
2．准数方程式对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，传热准数经验式为：n Nu Pr Re 023.08.0=（12）式中：Nu ——努赛尔数，λα22d Nu =，无因次； Re ——雷诺数，μρRe 2u d =，无因次； Pr ——普兰特数，'2λμPr p c =，无因次。
上式适用范围为：54102.1~100.1Re ××=，,120~7.0Pr =管长与管内径之比60≥d L 。
当流体被加热时4.0=n ，流体被冷却时3.0=n 。
式中：'λ——定性温度下空气的导热系数，/W m C ∙︒（）； u ——空气在换热管内的平均流速，s m /；ρ——定性温度下空气的密度，3/.m kg ； μ——定性温度下空气的黏度，s Pa •。
故由实验获取的实验数据计算出相关准数后，在双对数坐标纸上，即可作出Nu ~Re 直线，确定n B Nu Re =的拟合方程，并与公认的经验公式进行对比，以验证实验结果。
三、主要仪器设备本实验的装置图如图所示，实验装置由蒸汽发生器、孔板流量变送器、变频器、套管换热器及温度传感器、智能显示仪表等构成。
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，冷凝水经排出阀排入盛水装置。
空气经孔板流量计进入套管换热器内管，流量经变频器调节电机转速达到自动控制，热交换后从风机出口排出。
Figure 2横管对流传热系数测定实验装置流程图表格1横管对流传热系数测定实验装置流程图符号说明表四、操作方法和实验步骤1.手动操作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液位2/3（现场实验实际上为4/5）处。
2．打开总电源开关、仪表电源开关，选择管路，并与仪表显示一致后，开启蒸汽发生器，加热。
同︒左右。
时，稍微开启两个不凝气体排出阀，控制温度在100C3．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管换热器，再打开换热器冷凝水排放阀，使环隙中的冷凝水不断地排出。
4．启动风机，调节风量至最大值进行试实验，然后依次减小空气流量（在普通管的时候，从20m3/h 到6m3/h），确定6个实验点（为了保证对数图像上的等间隔，此时应当选择等比数列）。
待流量和热交换稳定后，分别读取冷流体流量、冷流体进出口温度、热流体进出口壁温以及蒸汽温度（利用电脑软件记录）。
5.普通管测好后．切换阀门进行强化管数据测定，方法同步骤4（强化管确定4个实验点即可），记录4组数据。
︒以下后，再关闭风机电5．实验结束时，先关闭蒸汽发生器电源，待蒸汽发生器内温度下降至95C源，关闭总电源，做好清洁工作。
2.自动操作（1）前5步准备工作同上操作；（2）打开“综合传热系数测定实验.MCGS组态文件，进入“综合传热系数测定实验软件”界面，点“综合传热系数测定实验”按钮，进入实验界面；（3）输入正确的“实验批号”、“姓名”、“学号”、“装置号”后，点击“确定”按钮，进入实验。
（4）点击“竖管传热系数测定实验”按钮，进入实验。
（5）将鼠标移至“竖管传热系数测定实验”上，指针转变为手型。
单击鼠标左键，出现竖管传热系数测定实验主窗口。
（6）点击“普通管实验”或“强化管实验”按钮，选择实验。
（7）将鼠标移至“加热器气相温度”的数值上，指针转变为手型。
单击鼠标左键，出现加热温度设定窗口。
（8）加热温度设定窗口默认初始为手动状态，如上图，按实验要求输入加热温度输出值，点击“改变输出值”按钮，调节加热功率，此时，下方的百分比填充构件中的输出值也会随之上升相应的高度。
注意：A.此处的加热温度输出值并不是真正的加热温度大小，而是希望输出加热功率占最大功率的百分比，数值在0-100之间，低于或高于此范围会按最小值0或最大值100处理。
B.输入要求的输出值后，若按回车键，下方的百分比填充构件中的输出值也会随之上升相应的高度，但是数据并没有真正传到实验装置的仪表中。
因此，必须用鼠标点击“改变输出值”按钮来实现加热温度的调节。
此时，可通过手动先调加热功率为100%，同时，稍微开启两个不凝气体排出阀，控制温度在100℃左右。
等有大量蒸气产生时，打开相应的换热器冷凝水排放阀，再调小功率，满足实验要求的蒸气量即可。
（9）点击设定窗口中的“手动”按钮，将加热温度调节切换为自动状态，同样可以达到调节加热温度的效果。
此时，“输出”比例填充构件失去作用。
与手动状态不同的是，此处输入的设定值为实际加热温度的大小，范围为实际的量程，不足或超过量程会按两个最值处理。
在确认修改时，仍与手动方式一样，需要点击“改变设定值”按钮。
步骤8与步骤9效果相同，但在此实验中，只能用手动；（10）将鼠标移至“冷流体流量”的数值上，指针转变为手型。