实验五 传热综合实验一、实验目的1、通过实验掌握传热膜系数α的测定方法，并分析影响α的因素；2、掌握确定传热膜系数准数关联式中的系数C 和指数m 、n 的方法；3、通过实验提高对α关联式的理解，了解工程上强化传热的措施；二、基本原理对流传热的核心问题是求算传热膜系数α，当流体无相变化时对流传热准数关联式一般形式为：Nu = C Re m Pr n Gr p对强制湍流，Gr 准数可以忽略。

Nu = C Re m Pr n本实验中，可用图解法和最小二乘法两种方法计算准数关联式中的指数m 、n 和系数C 。

用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同变量Re 和Pr 分别回归。

为了便于掌握这类方程的关联方法，可取n = 0.4（实验中流体被加热）。

这样就简化成单变量方程。

两边取对数，得到直线方程：Re lg lg Prlg 4.0m C Nu += 在双对数坐标系中作图，找出直线斜率，即为方程的指数m 。

在直线上任取一点的函数值代入方程中得到系数C ，即m NuC Re Pr 4.0=用图解法，根据实验点确定直线位置，有一定的人为性。

而用最小二乘法回归，可以得到最佳关联结果。

应用计算机对多变量方程进行一次回归，就能同时得到C 、m 、n 。

可以看出对方程的关联，首先要有Nu 、Re 、Pr 的数据组。

雷诺准数 μρdu =Re 努塞尔特准数 λαd Nu 1= 普兰特准数 λμp C =Pr d —换热器内管内径（m ）α1—空气传热膜系数（W/m 2·℃）ρ—空气密度（kg/m 3）λ—空气的导热系数（W/m ·℃） Cp —空气定压比热（J/kg ·℃）实验中改变空气的流量以改变准数Re 之值。

根据定性温度计算对应的Pr 准数值。

同时由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数α值。

进而算得Nu 准数值。

因为空气传热膜系数α1远大于蒸汽传热膜系数α2，所以传热管内的对流传热系数α1约等于冷热流体间的总传热系数K 。

则有牛顿冷却定律： Q =α1A Δt mA —传热面积（m 2）（内管内表面积）图1 螺旋线圈内部结构 Δt m —管内外流体的平均温差（℃）2112ln t t t t m ∆-=∆其中： Δt 1= T-t 1 , Δt 2= T-t 2T —蒸汽侧的温度，可近似用传热管的外壁面平均温度T w （℃）表示T w = 8.5+21.26×EE —热电偶测得的热电势 （mv ） 传热量Q 可由下式求得： Q= w C p （t 2-t 1）/3600 =V ρC p （t 2-t 1）/3600w —空气质量流量（kg/h ）V —空气体积流量（m 3/h ）t 1,t 2—空气进出口温度（℃）实验条件下的空气流量V （m 3/h ）需按下式计算：12732731t t V V t ++⨯= 1t V —空气入口温度下的体积流量（m 3/h ）t —空气进出口平均温度（℃）其中1t V 可按下式计算 1168.21t t P V ρ∆= ΔP —孔板两端压差（KPa ）1t ρ—进口温度下的空气密度（kg/m 3） 强化传热被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效的利用能源和资金。

强化换热的方法有多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈（图1）的方法来强化传热的。

在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，一面还周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以使传热强化。

强化传热时，Nu = B Re m ，其中B 、m 的值因螺旋丝尺寸不同而不同。

同样可用线性回归方法确定B 和m 的值。

单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，即强化管的努塞尔特准数Nu o 与普通管的努塞尔特准数Nu 的比。

显然，强化比Nu / Nu ＞1，而且它的值越大，强化效果越好。

三、实验装置本实验采用套管式换热器，用两根套管换热器组成，其中一根内管是光滑管，另一根内管是螺旋槽管，冷空气走管程，饱和水蒸汽走壳程。

设备流程见图21、普通套管换热器；2、内插有螺旋线圈的强化套管换热器；3、蒸汽发生器；4、旋涡气泵；5、旁路调节阀；6、孔板流量计；7、风机出口温度（冷流体入口温度）测试点；8、9空气支路控制阀；10、11、蒸汽支路控制阀；12、13、蒸汽放空口；14、蒸汽上升主管路；15、加水口；16、放水口；17、液位计；18、冷凝液回流口图2：空气-水蒸气传热综合实验装置流程图1．传热管参数2．空气流量计（1）由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。

（2）不锈钢孔板的孔径比m＝17mm／44mm≈0.393．空气进、出口测量段的温度t1、t2采用电阻温度计测量，在显示仪表上直接读数。

换热管的外壁面平均温度T w采用铜—康铜热电偶测量，在数字式毫伏计上显示数值E。

4．电加热釜使用体积为7升（加水至液位计的上端红线），内装有一支2.5Kw的螺旋形电加热器，为了安全和长久使用,建议最高使用电压不超过200伏（由固态调节器调节）。

5．漩涡气泵，XGB—2型，电功率约0.75Kw（三相电源）。

6．稳定时间。

指在外管内充满饱和蒸汽,并在不凝气排出口有适量的汽(气)•排出,空气流量调节好后,过15分钟,空气出口的温度t2 ( ℃ )可基本稳定。

四、实验方法及步骤1.实验前的准备,检查工作.(1) 向电加热釜加水至液位计上端红线处。

(2) 向冰水保温瓶中加入适量的冰水,并将冷端补偿热电偶插入其中。

(3) 检查空气流量旁路调节阀是否全开。

(4) 检查蒸气管支路各控制阀是否已打开。

保证蒸汽和空气管线的畅通。

(5) 接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。

2. 实验开始.(1)一段时间后水沸腾,水蒸汽自行充入普通套管换热器外管，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，标志着实验可以开始。

(2) 约加热十分钟后,可提前启动鼓风机,保证实验开始时空气入口温度t1(℃)比较稳定。

(3) 调节空气流量旁路阀的开度,使压差计的读数为所需的空气流量值(当旁路阀全开时,通过传热管的空气流量为所需的最小值,全关时为最大值)。

(4)稳定5-8分钟左右可转动各仪表选择开关读取t1,t2,E值。

(注意：第1个数据点必须稳定足够的时间)(5) 重复(3)与(4)共做7～10个空气流量值。

(6) 最小,最大流量值一定要做。

(7) 整个实验过程中,加热电压可以保持(调节)不变,也可随空气流量的变化作适当的调节。

3．转换支路，重复步骤2的内容，进行强化套管换热器的实验。

测定7～10组实验数据。

4．实验结束.(1)关闭加热器开关。

(2) 过5分钟后关闭鼓风机,并将旁路阀全开。

(3) 切段总电源(4) 若需几天后再做实验,则应将电加热釜和冰水保温瓶中的水放干净。

五注意的事项1．由于采用热电偶测温，所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存。

检查热电偶的冷端，是否全部浸没在冰水混合物中。

2．检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。

特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。

3．必须保证蒸汽上升管线的畅通。

即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路控制阀之一必须全开。

在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。

4．必须保证空气管线的畅通。

即在接通风机电源之前，两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。

在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。

5．电源线的相线,中线不能接错,实验架一定要接地。

6．数字电压表及温度、压差的数字显示仪表的信号输入端不能"开路"。

六 实验报告(1) 根据所测数据，进行整理，在双对数坐标纸上以Nu 为纵坐标，以Re 为横坐标，作出Nu~Re 图线。

（2）从所作图（直）线，找出n e u BR N =关系式并与给热关联式相比较；（3）将光滑管与螺旋管的结果进行对比分析，提出实验结论。

附：1.实验数据的计算过程简介(以普通管第一列数据为例)。

孔板流量计压差P ∆=0.59Kpa 、进口温度t 1 =21.8℃、出口温度 t 2 =68.6℃ 壁面温度热电势4.239mv 。

已知数据及有关常数:(1)传热管内径d i (mm)及流通断面积 F (m 2).di ＝20.0(ｍｍ),＝0.0200 (ｍ);F ＝π(d i 2)／4＝3.142×(0.0200)2／4＝0.0003142( m 2).(2)传热管有效长度 L(ｍ)及传热面积s i (m 2). L ＝1.00（ｍ)s i ＝πL d i ＝3.142×1.00×0.0200＝0.06284(m 2).(3) t 1 ( ℃ )为孔板处空气的温度, 为由此值查得空气的平均密度1t ρ，例如：t 1=29.8℃，查得1t ρ=1.19 Kg/m 3。

(4)传热管测量段上空气平均物性常数的确定.先算出测量段上空气的定性温度t (℃)为简化计算,取t 值为空气进口温度t 1(℃)及出口温度t 2(℃)的平均值, 即26.688.21221+=+=t t t =45.2（℃） 此查得: 测量段上空气的平均密度 ρ＝1.11 (Kg/m 3);测量段上空气的平均比热 Cp ＝1005 (J ／Kg ·K);测量段上空气的平均导热系数 λ＝0.0279／ｍ·K); 测量段上空气的平均粘度 μ＝0.0000194(s Pa ⋅);传热管测量段上空气的平均普兰特准数的0.4次方为:Pr 0.4＝0.6960.4＝0.865(5)空气流过测量段上平均体积V （ m 3/h ）的计算: )/(06.13)21.0(113.18)(113.1836203.06203.00h m P V t =⨯=∆⨯=18.142027320.4527306.1327327310=++⨯=++⨯=t t V V t （m 3/h ） (6)冷热流体间的平均温度差Δtm (℃)的计算:Tw= 1.2705＋23.518×4.23=100.8(℃)()()56.552.458.100221=-=+-=∆t t T t w m （℃）(7)其余计算:传热速率(W) ()2063600)8.216.68(100511.118.143600=-⨯⨯⨯=∆⨯⨯⨯=tCp V Q t t ρ（W ） ()60)06284.055.55/(206/=⨯=⨯∆=i m i s t Q α （W/m 2·℃）传热准数 430279.0/0200.060/=⨯=⨯=λαi i d Nu测量段上空气的平均流速()54.12)36000003142.0/(18.143600/=⨯=⨯=F V u （m/s ） 雷诺准数0000194.0/11.154.120200.0/Re ⨯⨯=⨯=μρu d i =14400（8）作图、回归得到准数关联式4.0Pr Re m A Nu =中的系数。