化工原理 传热综合实验报告 数据处理
七、实验数据处理
1.蒸汽冷凝与冷空气之间总传热系数K 的测定，并比较冷空气以不同流速u 流过圆形直管时，总传热系数K 的变化。
实验时蒸汽压力：0.04MPa （表压力），查表得蒸汽温度T=109.4℃。
实验装置所用紫铜管的规格162mm mm φ⨯、 1.2l m =，求得紫铜管的外表面积
200.010.060318576281.o S d l m m m ππ=⨯⨯=⨯⨯=。
根据2
4s s
V V u A d
π=
=、0.012d m =，得到流速u ，见下表2： 表2 流速数据
取冷空气进、出口温度的算术平均值作为冷空气的平均温度，查得冷空气在不同温度下的比热容p c 、黏度μ、热传导系数λ、密度ρ，如下表3所示：
表3 查得的数据
t 进/℃ t 出/℃ t 平均/℃
()p c J kg ⋅⎡⎤⎣⎦
℃ Pa s μ⋅ ()W m λ⋅⎡⎤⎣⎦℃ ()3
kg m ρ-⋅ 22.1 77.3 49.7 1005
0.0000196 0.0283 1.093 24.3 80.9 52.6 1005 0.0000197 0.02851 1.0831 26.3 82.7 54.5 1005 0.0000198 0.02865 1.0765 27.8 83 55.4 1005 0.0000198 0.02872 1.0765 29.9 83.6 56.75 1005 0.0000199 0.02879 1.0699 31.8 83.7 57.75 1005 0.00002 0.02886 1.0666 33.7 83.8 58.75 1005 0.0000200 0.02893 1.0633 35.6
84
59.8
1005 0.0000201 0.029 1.06
根据公式()()=V s p s p Q m c t t c t t ρ=--出进出进、
()()ln m T t T t t T t T t ---∆=--进出进出
，
求出Q
序号 ()31s
V m h -⋅ ()1u m s -⋅
1 2.5 6.140237107
2 5 12.28047421
3 7.5 18.42071132
4 10 24.56094843
5 12.5 30.70118553
6 15 36.84142264
7 17.5 42.98165975 8
20
49.12189685
和m t ∆，0S 已知，由0m
Q
K S t =
⋅∆，即可求出蒸汽冷凝与冷空气之间总传热系数K 。
不同流速u 下，蒸汽冷凝与冷空气之间总传热系数K 见下表4：
表4 不同流速下的总传热系数K 序号
()1u m s -⋅
Q W
m t ∆℃
()2
K W m ⎡⎤⋅⎣⎦℃
1 6.140237107 42.107825 55.1727208 12.65281954
2 12.28047421 85.56941292 51.74039002 27.41812552
3 18.42071132 127.1211938 49.67494896 42.42574126
4 24.56094843 165.8886
5 48.91599445 56.22308757 5 30.70118553 200.4892297 47.7171082
6 69.65717165 6 36.84142264 231.8055113 46.96507711 81.8271873
7 7 42.98165975 260.2526434 46.20979133 93.37057816 8
49.12189685
286.4473333
45.3774295
104.65351
讨论：
由上表可以看出：随着流体流速的增加，冷空气与蒸汽之间的总传热系数K 也在增加，说明增大流速有利于促进流体间的传热。
2.冷空气在圆形直管内作强制湍流时对流传热系数α的测定。
实验时所用紫铜管的规格162mm mm φ⨯、 1.2l m =，求得紫铜管的内表面积
20.00.0452389312 1.23i i S d l m m m ππ=⨯⨯=⨯⨯=。
取3个取温点的算术平均值作为进、出口的壁温，然后根据公式
()()ln w w m w w t t t t t t t t t ---∆=
--进进出出进进
出出
，求出冷空气和管壁的对数平均温差m
t
∆，Q 已知，由
i m Q S t α=∆，即可确定冷空气在圆形直管内强制湍流时的对流传热系数α。
经计
算，不同流速u 所对应的对流传热系数α如下表5所示：
表5 不同流速下的对流传热系数α 序号
()1u m s -⋅
Q W
m t ∆℃
()2
W m α⎡⎤⋅⎣⎦℃
1 6.140237107 42.107825 52.12901056 17.855457
2 12.28047421 85.56941292 48.66770525 38.86559545
3 18.42071132 127.1211938 46.72965708 60.13301939
4 24.56094843 165.8886
5 45.821381
6 80.02692612 5 30.70118553 200.489229
7 44.81148143 98.89842794 6 36.84142264 231.8055113 44.13365594 116.1024795 7 42.98165975 260.2526434 43.40293793 132.5450961 8
49.12189685
286.4473333
42.56409613
148.7609732
讨论：
（1）不同流速下的总传热系数K 与对流传热系数α：
序号 ()2
W m α⎡⎤⋅⎣⎦
℃ ()2K W m ⎡⎤⋅⎣⎦℃ 1
17.855457 12.65281954 2 38.86559545 27.41812552 3 60.13301939 42.42574126 4 80.02692612 56.22308757 5 98.89842794 69.65717165 6 116.1024795 81.82718737 7 132.5450961 93.37057816 8 148.7609732 104.65351
由上表可以看出：总传热系数K 总是接近并小于对流传热系数α小的一侧流体的对流传热系数，要想提高K ，关键在于提高α较小侧流体的对流传热系数。
（2）壁温与壁两侧流体温度：
根据表1，壁温在106℃左右，实验所用的饱和蒸汽温度为109.4℃，冷流体进口温度2235℃，出口温度7784℃，可以看出壁温总是接近对流传热系数α较大侧流体的温度。
3. Nu 和Re 之间关系的确定。
根据公式i
d Nu αλ⋅=
、p c Pr μλ⋅=、i d u Re ρμ
⋅⋅=，结合表3、表5可以分别
求出在不同雷诺数Re 下的努赛尔特准数Nu 、普兰特准数Pr ，见下表6：
表6 雷诺数Re 、努赛尔特准数Nu 、普兰特准数Pr 之间的关系
序号 Re Nu Pr
1
4108.946423 7.571218515 0.696042403 2 8081.609086 16.35872134 0.696203087 3 11987.84629 25.18660498 0.696308901 4 15983.79505 33.43743431 0.694611769 5 19757.71332 41.2219915 0.696413685 6 23577.03683 48.27545927 0.696465696 7 27353.05664 54.97895447 0.696517456 8
31086.09592
61.55626476
0.696568966
对于低黏度流体，在圆形直管内做强制湍流时，关系式可表示为：
0.4m Nu CRe Pr =
对上式左右两边同时取对数，得到直线方程：
0.4lg lg lg Nu
C m Re Pr
=+
在双对数坐标系中对
0.4
Nu
Re Pr -作图，得到图2：
拟合出的直线方程为 1.03295 2.76902y x =-。
所以， 1.03295m =、0.0017C =，即 1.032950.40.0017Nu Re Pr =。
误差分析：
实验测得的关系式与Dittus-Boelter 关系式不同，原因如下： ① 前两次实验的雷诺数10000Re <，对实验结果有影响；
② 本实验条件下()0.690.7,120Pr =∉，不适用于Dittus-Boelter 关系式； ③ 实验固有误差影响。