实验五 空气在圆形直管中强制对流传热膜系数的测定
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；
4、掌握测温热电偶的使用方法。
二、实验原理
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 Pr lg
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
Nu C 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 μ
ρdu =Re
努塞尔特准数 λ
αd Nu 1=
普兰特准数 λ
μp C =Pr
d —换热器管径（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·℃） C
p —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远小于蒸汽传热膜系数α2，所以传热管的对流传热系数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 =α1AΔt m
A —传热面积（m 2）（管表面积） Δt m —管外流体的平均温差（℃）
2
1
12ln
t t t t t m ∆∆-=
∆
其中： Δt 1= T - t 1 , Δt 2= T - t 2
T —蒸汽的温度，℃
传热量Q 可由下式求得： Q= w
C
p （t 2-t 1）/3600 =Vρ
C
p （t 2-t 1）/3600
w —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： 1
2732731
t t V V t
++⨯=
1
t 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1
t V 可按下式计算 1
1
68
.21t
t P V
ρ∆=
ΔP—孔板两端压差（KPa ）
1
t ρ—进口温度下的空气密度（kg/m 3）
本实验装置是两条套管换热器，其中一条管是光管，另一条管是螺旋槽管，分别测定和对比流体在两种管强制对流时的传热膜系数。
三、实验容
1、测定水蒸汽—空气物系在常用流速围的传热膜系数；
2、.先设定一种操作条件，待达到定态操作后，再增加50%的热（或冷）流体量，并维持热（或冷）流体的进出口温度不变。
你认为应采取哪些措施。
在实验中实施之。
四、实验方法
1、首先用蒸汽发生器加热产生蒸汽，打开光管侧风机，调节孔板流量计R 值约为20
左右。
2、待进口温度t 1稳定在35°C 左右，蒸汽发生器停止加热，打开光管侧蒸汽进气阀，
开始读取温度T、t1、t2、t壁，孔板流量计R值及孔前表压Rp，将这些数据记录在实验记录
表上。
3、改变孔板流量R值约为30，再测取以上数据并记录，大约做5组数据。
4、然后打开蒸汽放气阀，让蒸汽发生器再次加热，直至其停止加热，同样再做5组数
据，重复几次，将数据记录到实验记录表上。
5、实验结束，先关闭蒸汽发生器加热电源，待系统冷却后，再停风机。
五、实验装置和流程
1.风机
2.流量计
3.调节阀
4.蒸汽套管
5.视镜
6.温度计
7.热电偶
8.安全阀
9.压力表10.压差计11.蒸汽阀12.放气考克13.疏水器14.热电偶转换开关
图 4 实验流程图
六、数据记录与处理
管型：管径：17.8mm 室温：o C 实验日期：大气压强：（mmHg）
序
号
进口温度
t1（°C）
出口温度
t2（°C）
蒸汽温度
T（°C）
管壁温度
t壁（°C）
计前表压
Rp（mmHg）
流量计示值
R（mmH2O）
管子压差
△P（mmH2O）1
2
3
4
5
6
1、数据的计算整理及列表：
（a ）对数平均温度，定性温度： △t m =
2
11
2ln
t T t T t t ---（o C ） t 定=（t 1+t 2）/2 （o C ） （b ）密度ρ的计算：
ρ= 0.4645(
t
Rp
Pa ++273) （kg/m 3）
式中：P a —大气压强（mmHg ），可取当地全年平均大气压强计算；
R p —流量计前端被测介质表压强，mmHg t —流量计前介质温度（o C ）,可取t=t 1
（c ）质量流量（Vs ρ）查产品说明书得流量系数C′=0.001233 Vs ρ=0.001233ρ⨯R (kg/s)
R －压差计示值，mmH 2O
（d ）雷诺数（Re ）的计算：
Re=
μ
ρ
μ
πρμ
d V d dV dup
s m
m s 273
.14
2==
注：在0-120o C 围，μ可按下式计算： μ=1.72×10-5+4.77×10-8 t 定 （e ）实测的Nu 数：
N u 测=
m
m p s t F t t c V d Δ进出⨯⨯-⨯⨯λρ)
(
其中Cp ：0-70o C 围，Cp=1.005（kJ/kg·k ）；t 定=70~120o C Cp=1.009（kJ/kg·k ） 在t 定=40~80o 围可用下式计算λ：
)002491.0(024943.0定
t e =λ
F m =dL L d m ππ=，换热长度L=1.224（米） F m =π×0.0178×1.224=0.0685 m 2 （f ）按通和关联式计算的Nu 数：
N u 计=0.0199×(Re)0.8(
壁
定
t t ++273273) 实测Nu 测与N u 计相比较，相对误差δ；
δ=
测
计
测Nu N Nu u -
2、实验结果列表和作图：
数据整理结果列于下表中，并且将结果作出lnRe —lnNu 关系散点图。
实验项目二 螺旋槽管给热准数方程的测定
实验时可以发现，加热蒸汽压相同，空气流量相同，但螺旋槽管的出口温度远比光管高，这证明螺纹强化了传热过程。
当然我们还应具体地测量它的给热准数方程式。
这项测定和前述光管的测定方法相同。
由于两种管子都是用同一管材轧制，为了便于对比，螺旋槽管管径取与光管一致，这样流量和定性温度相同时，两种管子的雷诺数相同。
这样处理方法，见诸于中、外文献。
实验的原始数据和结果见表：
因为Nu=cRe m LnNu=Lnc+mLnRe m 为lnNu-lnRe 直线的斜率，lnC 为截距。
从而得出m,c.因此可以 计算出这种螺旋槽管给热准数方程式是：
Nu=cRe m
七、思考题
1、在实验验中，有哪些因数影响实验的稳定性？
2、影响传热系数K 的因数有哪些？
3、在传热中，有哪些工程因数可以调动？你在操作中主要调动哪些因数？
八、实验注意事项
1、要注意电热蒸汽锅炉的水位控制和排污。
2、必须保证蒸汽上升管线的畅通，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。
3、必须保证空气管线的畅通。
即在接通风机电源之前，旁路调节阀必须打开。
要注意测量管中的空气流量控制，不要太大，以免冲走压差计中的水（特别是风机启动时）。