实验三 对流给热系数的测定
一、实验目的
1、观察水蒸气在换热管外壁上的冷凝现象，并判断冷凝类型；
2、测定空气（或水）在圆直管内强制对流给热系数i α；
3、应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARe m Pr 0.4中常数A 、m 的值。
4、掌握热电阻测温的方法。
二、基本原理
在套管换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以空气或水，水蒸气冷凝放热以加热空气或水，在传热过程达到稳定后，有如下关系式：
V ρC P (t 2－t 1)＝αi A i (t w －t)m （1-1）
式中： V ——被加热流体体积流量，m3/s ； Ρ——被加热流体密度，kg/m3； C P ——被加热流体平均比热，J/(kg ·℃)；
αi ——流体对内管内壁的对流给热系数，W/(m2·℃)； t 1、t 2——被加热流体进、出口温度，℃；
A i ——内管的外壁、内壁的传热面积，m2；
(T －T W )m ——水蒸气与外壁间的对数平均温度差，℃； 2
2112211ln )()()(w w w w m T T T T T T T T Tw T -----=
- （1-2）
(t w －t)m ——内壁与流体间的对数平均温度差，℃；
2
211
2211ln )()()(t t t t t t t t t t w w w w m w -----=
- （1-3）
式中：T 1、T 2——蒸汽进、出口温度，℃；
T w1、T w2、t w1、t w2——外壁和内壁上进、出口温度，℃。
当内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度很薄时，可认为T w1＝t w1，T w2＝t w2，即为所测得的该点的壁温。
由式（1-3）可得：
m w P i t t A t t C V )()
(012--=
ρα （1-4）
若能测得被加热流体的V 、t 1、t 2，内管的换热面积A i ，以及水蒸气温度T ，壁温T w1、T w2，则可通过式（1-4）算得实测的流体在管内的（平均）对流给热系数αi 。
流体在直管内强制对流时的给热系数，可按下列半经验公式求得： 湍流时： 4.08.0Pr Re 023
.0i
i d λ
α= （1-5）
式中：αi —— 流体在直管内强制对流时的给热系数，W/ (m 2·℃)； λ—— 流体的导热系数，W/(m 2·℃)；
d i —— 内管内径，m ；
Re —— 流体在管内的雷诺数，无因次； Pr —— 流体的普朗特数，无因次。
上式中，定性温度均为流体的平均温度，即t f = (t 1 + t 2) / 2。
过渡流时：
αi ’＝φαi （1-6）
式中：ϕ 修正系数， 8
.15
Re 10
61⨯-=ϕ
⒉ 对流传热系数准数关联式的实验确定
流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为
n
i m
i i A Nu Pr Re =. （1-7）
其中：
i i
i i d Nu λα=
， i i i i i d u μρ=Re ， i i pi i c λμ=
Pr
物性数据λi 、c pi 、ρi 、μi 可根据定性温度t m 查得。
经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pr i 变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：
4
.0Pr Re i
m
i i A Nu = （1-8） 这样通过实验确定不同流量下的Re i 与i Nu ，然后用线性回归方法确定A 和m 的值。
三、实验装置与流程
1．实验装置
实验装置如图1所示。
来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器，与来自水泵）的水进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。
冷水经涡轮流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后排出装置外。
图1传热系数测定装置流程图
1-可移动框架 2-中间储水箱 3-液位控制浮球阀 4-涡轮流量计 5-水箱排水阀6 6-阀5 7-进水口 8-水泵 9-脚轮 10-冷凝水排放口 11-冷凝水排水阀4 12-蒸汽进汽口 13-冷凝水调节阀2 14-蒸汽调节阀3 15-冷流体出口温度 16-蒸汽压力表 17-壁面右端温度 18-排不宁性气体阀门 19-蒸汽右端温度 20-冷流体流量调节阀1 21-壁面左端温度 22-蒸汽左端温度 23-排不宁性气体阀门 24-冷流体进口温度 25-换热外套管 26-换热紫铜管27-可视视窗 2．仪表箱面板图如2所示：
图2 仪表箱面板图
1-总电源指示灯 2-空气开关 3-仪表电源指示灯 4-仪表电源开关 5-风机电源指示灯 6-风机电源开关7-温度巡检仪 第一
通道为流体进口温度，第二通道为流体出口温度，第三通道为左端蒸气温度，第四通道为右端蒸气温度
2．设备与仪表规格
（1）紫铜管规格：紫铜管外径＝21mm 紫铜管管厚＝1.5mm
（2）外套玻璃管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm
（3）压力表规格：0～0.1Mpa
四、实验步骤与注意事项
（一）实验步骤
1、蒸气发生器加水，加热，把蒸气加热到额定压力下。
1．打开总电源空气开关，打开仪表及巡检仪电源开关，给仪表上电。
2．打开仪表台上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体入口阀门。
4．打开冷凝水出口阀，注意只开一定的开度，开的太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，关的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。
5．在做实验前，应打开冷凝水排水阀4将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排除，否则夹带冷凝水的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。
具体排除冷凝水的方法是：关闭蒸汽进口阀门，打开装置下面的排冷凝水阀门，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽响时关闭冷凝水排除阀，可进行实验。
6．刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽进口阀3的阀门大小开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。
7．当一切准备好后，调节蒸汽进口阀3的开度，把蒸汽压力调到0.01Mpa，并保持蒸汽压力不变。
（可通过调节排不宁性气体阀以及蒸汽进口阀3配合来实现。
）
8．流量调节：
（1）手动调节1：可通过调节空气的进口阀1手动调节空气流流量，改变冷流体的流量到一定值，等稳定后记录实验数据。
9．记录3到8组实验数据，完成实验，关闭蒸汽进口阀与冷流体进口阀，关闭仪表电源和风机的电源。
10．关闭蒸汽发生器。
11．打开实验数据处理软件“对流给热系数测定实验”文件夹，运行“对流给热系数测定实验”，打开该组实验数据，进行实验数据分析处理。
（二）注意事项
1．先打开排冷凝水的阀，注意只开一定的开度，开的太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，关的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。
2．一定要在套管换热器内管输以一定量的冷流体后，方可开启蒸汽阀门，且必须在排除蒸汽管线上原先积存的凝结水后，方可把蒸汽通入套管换热器中。
3．刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。
3．操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.02MPa（表压）以下，否则可能造成玻璃管爆裂和填料损坏。
4.确定各参数时，必须是在稳定传热状态下，随时注意惰气的排空和压力表读数的调整。
五、实验数据处理
原始数据记录表
六、实验报告
1．将冷流体给热系数的实验值与理论值列表比较，计算各点误差，并分析讨论。
2．说明蒸汽冷凝给热系数的实验值和冷流体给热系数实验值的变化规律。
3．按冷流体给热系数的模型式：m A Re Nu/Pr 0.4 。
确定式中常数A 及m 。
七、思考题（看书）
1．实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响?
2．蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响、应采取什么措施？3．实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如何及时排走冷凝水？4．实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧还是冷流体侧温度？为什么？
5．如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？。