实验报告课程名称：过程工程原理实验（甲）Ⅰ指导老师：成绩：实验名称：对流传热系数的测定同组学生姓名：一、实验目的和要求1.掌握空气在传热管内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nNu形式的准数方程，并与公认式进行比较。

ARe=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、实验装置与流程本实验流程图如下图1、2所示，实验装置由蒸汽发生器、孔板流量计（变送器）、变频器、套管换热器（强化管和普通管）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的壳程，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）排出，冷凝水经排出阀（F5和F6）排入盛水杯。

空气由风机提供，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的管程，热交换后从风机出口排出。

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取，三者必须统一。

图1 横管对流传热系数测定实验装置流程图图2 竖管对流传热系数测定实验装置流程图图中符号说明见下表所示三、实验内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、热两种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，水蒸汽和空气通过紫铜管间接换热，空气走紫铜管内，水蒸汽走紫铜管外，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。

3.1 间壁式传热基本原理如图3所示，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。

Tt图1间壁式传热过程示意图图3 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，有热流体与固体壁面的对数平均温差可由（2）式计算：固体壁面与冷流体的对数平均温差可由（3）式计算：热、冷流体间的对数平均温差可由（4）式计算：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，()C m W ︒∙2/；1A 、2A ——分别为热流体、冷流体测的传热面积，2m ； ()M WT T -、()m w 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 ——平均传热面积，2m ；m t ∆——冷、热流体的对数平均温差，C ︒。

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 3.2空气流量的测定空气在无纸记录仪上显示的体积流量，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处的空气密度ρ0当作1kg/m 3时的读数，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按下式进行校正：'ρVV =（5）空气质量流量m ：0'ρV m = （6） 式中：'V ——空气实际体积流量，s m /3；V ——无纸记录仪上显示的空气的体积流量，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t1下对应的密度。

3.3空气在传热管内对流传热系数α的测定 3.3.1牛顿冷却定律法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。

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：()()m W t t A t t mc -=-α12 （7）即()()mW t t A t t mc --=12α （8）1W t 和2W t 分别是换热管空气进口处的内壁温度和空气出口处的内壁温度，当内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度较小时，可认为11W W t T ≈及22W W t T ≈， 1W T 和2W T 分别是空气进口处的换热管外壁温度（T3和T6）和空气出口处的换热管外壁温度（T2和T5），见流程图。

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。

下面介绍其他两种测定对流传热系数α的实验方法（3.3.2和 3.3.3）。

3.3.2近似法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：112121'2211d d d d R d bd R K S mS αλα++++= （9） 式中：1d 、2d ——分别为换热管的外径、内径，m ； m d ——换热管的对数平均直径，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：()mp m t A t t c m t A QK ∆-=∆=1222 （10） 用本装置进行实验时，管内空气与管壁间的对流传热系数2α约为几十到几百W /m2∙ K ；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数α1可达~104W/ m2∙ K 左右，因此冷凝传热热阻112d d α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121d d R S 也可忽略。

实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数'λ为383.8W/m∙ K ，壁厚为1.5mm ，因此换热管壁的导热热阻md bd '2λ可忽略。

若换热管内侧的污垢热阻R S2也忽略不计，则由式（9）得，K ≈α （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α的准确性就越高。

3.3.3简易Wilson 图解法空气和蒸汽在套管换热器中换热，空气在套管内被套管环隙中的蒸汽加热，当管内空气做充分湍流时，空气侧强制对流传热系数可表示为8.0Cu=α （12）将式（12）代入式（9），得到：112121228.011d d d d R d bd R Cu K S m S αλ++++= （13） 依据3.3.2的分析，式（13）右侧后三项在本实验条件下可认为是常数，则由式（13）可得：常数+=8.011Cu K （14） 式（14）为B mX Y +=线性方程，以K Y 1=，8.01uX =作图，如图4-4所示；图4 简易Wilson 图解法作图由实验线的斜率m 得到：mu Cu8.08.0==α （15） 3.4 拟合实验准数方程式由实验获取的数据计算出相关准数（Nu 和Re ）后，在双对数坐标纸上，拟合Nu ~Re 直线，从而确定拟合方程，得出实验关系式：nA Nu Re = （16） 式中：Nu ——努赛尔数，λαdNu =，无因次； Re ——雷诺数，μρdu =Re ，无因次；3.5 传热准数经验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= （17）式中：Pr ——普兰特数，λμc =Pr ，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，()C m W ︒∙/； 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 ∙。

在本实验条件下，考虑Pr 变化很小，可认为是常数，则（17）改写为：8.0Re 02.0=Nu （18）附注：在 0-100℃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：ρ = 10-5 t2- 4.5⨯10-3 t +1.2916（2）空气的比热与温度的关系式： 60 ︒C 以下C p = 1005J /(kg ∙ ︒C )，70 ︒C 以上C p = 1009J /(kg ∙︒C )。

（3）空气的导热系数与温度的关系式：λ = -2 ⨯10-8 t 2+ 8⨯10-5t + 0.0244（4）空气的黏度与温度的关系式：μ = (- 2 ⨯10-6 t 2 + 5⨯10-3t +1.7169)⨯10-5四、操作方法和实验步骤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液位2/3处。

2.打开总电源开关、仪表电源开关，开启蒸汽发生器加热。

同时，稍微开启两个不凝气体排出阀，控制温度在100C ︒左右。

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，选择设备的普通管，选择仪表及显示的测定管路与设备必须一致，通过控制软件上的“流量设定”，合理分配流量，调节风量至最大值进行实验，然后依次减小空气流量。

待流量和热交换稳定后，采集数据。

5.普通管测好后．切换阀门选择设备的强化管，选择仪表及电脑显示的测定管路与设备必须一致，数据测定方法同步骤4，采集数据。

6.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 ︒以下后，再关闭风机电源，关闭总电源，做好清洁工作。

五、实验数据记录及处理1.普通管表1 普通管原始数据运用附注中的公式（1）计算空气的在各个温度下相应的密度，再根据公式(5)、(6)将空气的体积流量转化为质量流量 运用公式(1)进行计算传热速率：表2 校正流量，质量流量及传热速率 a.平均传热温差 （牛顿冷却定律法）：根据所测的管的外壁温以及所测的冷流体进出温度算出温度推动力，再根据对数平均计算平均传热温差b. 平均传热温差∆ （近似法）根据所测的管外蒸汽温度以及所测的冷流体进出温度算出温度推动力，再根据对数平均计算平均传热温差∆表3 平均传热温差 及平均传热温差∆根据所给数据算出管的内表面积: ⨯ ⨯⨯ ⨯a.牛顿冷却定律法根据公式(7)、(8)进行计算（也用对数平均来求取温差）：b.近似法用 根据公式(1)进行计算：简易Wilson图解法根据公式(14)作图，运用近似法求得K根据图形的拟合，可得直线的斜率m=1/C=0.1301。