实验三 传热系数K 和给热系数α的测定
一、 实验目的
1. 了解间壁式传热元件和给热系数测定的实验组织方法；
2. 学会给热系数测定的试验数据处理方法；
3. 了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。
二、实验原理
在工业生产中，间壁式换热器是经常使用的换热设备。
热流体借助于传热壁面，将热量传递给冷热体，以满足生产工艺的要求。
影响换热器传热速率的参数有传热面积、平均温度差和传热系数三要素。
为了合理选用或设计换热器，应对其性能有充分的了解。
除了查阅文献外，换热器性能实测是重要的途径之一。
传热系数是度量换热器性能的重要指标。
为了提高能量的利用率，提高换热器的传热系数以强化传热过程，在生产实践中是经常遇到的问题。
列管换热器是一种间壁式的传热装置。
冷热液体间的传热过程是由热流体对壁面的对流传热、间壁的热传导、以及壁面对冷流体的对流传热这三个传热子过程组成，其所涉及的热量衡算为：
1212()()()()h h w c c w m
w w Q KA T t Q A T t Q A t t A Q t t ααλδ
=-=-=-=- 1122111w w w w h h m c c T t t t t t T t
Q A A A KA δαλα----=
=== 1
h h m c c
K A A A A A A δαλα=
++
在所考虑的这个传热过程忠，所涉及的参数共有13个，采用因次分析方法 ：π=13-4=9个无因次数群。
该方法的基本处理过程是将研究的对象分解成两个或多个子过程 。
即：
12(,)K f αα≈
分别对α1、α2进行研究：1111111(,,,,,)p f d u c αρμλ=
无因次处理得：0(,)Re Pr p b c c d du f Nu a μ
αρλμλ=→= 1）传热系数K 的实验测定
热量衡算式：21()c c pc Q q c t t ρ=- 传热速率式：m Q KA t =∆ 其中：12211221
()()
ln
m T t T t t T t T t ---∆=
--
两式联立，得：21()
c c pc m
q c t t K A t ρ-=
∆
2）给热系数α的实验测定
热量衡算式：21()c c pc Q q c t t ρ=- 传热速率式： c mc Q A t α=∆ 其中：2121
()()
ln
w w mc w w t t t t t t t t t ---∆=
--下上上下
两式联立，得：21()
c c pc c mc
q c t t A t ρα-=
∆
三、实验装置及流程图
本实验选用空气作为冷流体 华理是冷却水，水蒸汽作为热流体。
空气来自鼓风机，经转子流量计测量流量、温度计测量温度后，进入换热器的管程，换热后在出口处测量其出口温度。
蒸汽发生器产生的蒸汽进入换热器的壳程，蒸汽温度设定为150℃，蒸汽经换热后又返回到蒸汽发生器内，形成蒸汽循环。
q c ----空气流量计1个；
t 1、t 2 ----冷流体进、出口温度计2个； T----水蒸汽温度计1个；
t w 上、t w 下----上壁温、下壁温温度计2个； P----装1个压力表；
配上套管换热器、蒸汽发生炉、疏水器、阀门管路、凉水塔系统组成如下实
验装置。
四、实验步骤
1.可先打开蒸汽发生炉电源开关，待上壁温开始升温后，打开空气输送开关，调节空气转子流量计为22；
2.当蒸汽压力到达一定值后，打开不凝性气体放气阀，“开-关”重复2次；
3.整个实验操作控制蒸汽压力恒定在0.04Mpa以下某一刻度，蒸汽温度达到150℃后，方可开始测量；
4.实验布点采用均匀布点原则，即在5—25之间，均匀布4-5点；
5.空气流量调到某值，待冷流体出口温度显示值保持5min以上不变时方可同时采集实验数据；
6.调节空气流量，重复实验步骤5；
7.实验结束时，先关闭加热电源开关，空气流量必须继续打开，至蒸汽温度降至50℃以下，方可关闭其它电源。
五、实验数据记录与处理
１.原始数据记录
装置号： ；d 外=19mm ；δ=1.5mm ； L=1.3m ； 室内温度： ℃
⑴定性温度 122
m t t
t += ，查《化工原理》附录干空气的物理化学性质，内插法
求空气平均ρ，Cp ，λ，μ；
⑵换热器流通面积：24
A d π
=
⑶换热器换热面积：dl S π= ⑷空气流量、流速：流量q
流量校正：273
273
27320273++⨯++⨯=室室t t t q q m c
流速：A
q u c
=
⑸传热量：21()c c pc Q q c t t ρ=- ⑹总传热系数的计算： m
pc c c t A t t c q K ∆-=
平)
(12ρ，A 平为换热面积；
其中：12211221
()()
ln
m T t T t t T t T t ---∆=
--
⑺给热系数α的计算：m
pc c c c t A t t c q ∆-=
内)
(12ρα，A 内为换热面积；
其中：2121
()()
ln
w w mc w w t t t t t t t t t ---∆=
--下上上下
⑻准数值：Re d u ρ
μ
⨯⨯=
； Pr p c μ
λ
=
；d
Nu αλ
=
利用实验数据求出准数值，再进行曲线拟合（注意：取全部小组的数据点，不是一两个同学的数据点！）的基础上求出0Re Pr b c Nu a =中的常数a 0、b （c=0.4）。
３.计算结果表
六、数据处理要求
1.每人取一组数据，并写出其具体计算过程，即计算示例；
2.列出完整的数据处理结果表；
3.在双对数坐标纸上作Nu/Pr n ~Re 关系曲线，并求出A 、m 的值。
七、实验结果讨论与分析
1.明确实验结果，并与经验值进行比较分析；
2.应用实验结果（c α、h α、K 等）说明提高总传热系数关键措施是什么？（若c α»h α，K 值接近于h α，整个传热过程为热流体的传热步骤所控制；相反，若c α«h α，K 值接近于c α，过程为冷流体对流传热步骤所控制。
）
八、思考题
1.何为因次分析法？
2.影响对流传热系数的主要因素有哪些？
3.如何强化空气方的传热系数？
4.传热实验中，哪一侧用于估算总的传热量更为合理？
5.当空气进口温度不变而流量减小时，空气出口温度有何变化？
6.为提高总传热系数K ，可采用哪些方法？
7.本实验过程传热的阻力主要在那里？
8.本实验中所测定的壁面温度是靠近蒸汽的温度，还是接近空气侧的温度？为什么？
9.对于同一个换热器，若冷、热流体的流量均不变，仅改变操作方式（如逆流操作变为并流操作），试问总传热系数Ｋ是否发生变化？ 10.为什么壁温与蒸汽温度很接近，而与空气温度相差较大？
11.当空气流速增大时，空气离开换热器的温度将升高还是降低？为什么？。