传热膜系数测定实验
实验日期：2010/12/9
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实验装置：
一.报告摘要
本实验以套管式换热器为研究对象，并用常压下100℃的水蒸汽冷凝空气来测定传热膜系数，通过实验掌握传热膜系数及传热系数的测定方法，并确定传热膜系数准数关系式中的系数及分析影响传热膜系数的因素。
关键词：传热膜系数α，传热系数K ，努赛尔数Nu ，雷诺数Re ，普朗特准数Pr
二.目的及任务
1. 掌握传热膜系数α及传热系数K 的测定方法；
2. 通过实验掌握确定传热膜系数准数关系式中的系数A 和指数m 的方法；
3. 通过实验提高对准数关系式的理解，并分析影响α的因素。
三.基本原理
对流传热的核心问题是求算传热系数α，当流体无相变时对流传热准数关系式的一般形式为
p n m Gr A Nu Pr Re =
对于强制湍流而言，Gr 数可忽略，即
n m A Nu Pr Re =
本实验中，可用图解法和最小二乘法计算上述准数关系式中的指数m 和系数A 。
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。
本实验可简化上式，即取n=0.4。
在两边取对数，得到直线方程为
Re lg lg Pr
lg 4.0m A Nu
+= 在双对数坐标中作图，求出直线斜率，即为方程的指数m 。
在直线上任取一点函数值代入方程中，则可得到系数A ，即
m Nu
A 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。
应用计算机辅助手段，对多变量方程进行一次回归，就能同时得到A,m,n 。
对于方程的关联，首先要有Nu,Re,Pr 的数据组。
其特征数定义式分别为
λ
αλ
μ
μ
ρ
d Nu Cp du =
=
=
,Pr ,Re 实验中改变空气的流量，以改变Re 值。
根据定性温度计算对应的Pr 值。
同时，由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数值，进而求得Nu 的值。
牛顿冷却定律为
m t A Q ∆=α
式中α——传热膜系数，W/(m 2·℃)；
Q ——传热量，W ；
A ——总传热面积，m 2；
Δt m ——管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，℃。
传热量可由下式求得
3600/)(3600/)(1212t t c V t t Wc Q p s p -=-=ρ
式中，W ——质量流量，kg/h ；
c p ——流体的比定压热容，J/（kg·℃）； t 1,t 2——流体进，出口温度，℃； ρ——定性温度下流体密度，kg/m 3； V s ——流体体积流量，m 3/h 。
空气的体积流量由孔板流量计测得，其流量V s 与孔板流量计压降Δp 的关系为
54.02.26p V s ∆=
式中，Δp——孔板流量计压降，kPa ； V s ——空气流量，m 3/h 。
四.装置和流程
图1.套管式换热实验装置和流程
1-风机，2-孔板流量计，3-空气流量调节阀，4-空气入口测温点，5-空气出口测温点， 6-水蒸气入口壁温，7-水蒸气出口壁温，8-不凝性气体放空阀，9-冷凝水回流管，
10-蒸汽发生器，11-补水漏斗，12-补水阀，13-排水阀
五.操作要点
1.实验开始前，先弄清配电箱上各按钮与设备的对应关系，以免误触他人按钮。
2.检查蒸汽发生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/2~2/3。
3.打开总电源开关（红色按钮熄灭，绿色按钮亮，以下同）。
4.实验开始时，关闭蒸汽发生器补水阀，启动风机，再接通蒸汽发生器的加热电源，打开放气阀（已打开）。
5.将空气流量控制在某一值（从大流量开始）。
待仪表数值稳定（不少于3分钟）后，记录数据，改变空气流量，由大流量到小流量，重复实验，测定并记录8~10
组数据。
6.加强传热，先抬高测温计，在管路中加入麻花铁（固定好，避免出来），测温计放回中间位置，重复第5步，记录6~8组数据。
7.实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，清理现场。
注意事项：
1.实验前，务必使蒸汽发生器液位合适，液位过高，则水会溢入蒸汽套管；过低，则可能烧毁加热器。
2.调节空气流量时，要做到心中有数，为保证湍流状态，孔板压差读书从大流量时开始，最低不小于0.2kpa。
实验中要合理取点，以保证数据点均匀。
3.切记每改变一个流量后，应等到读数稳定后（约3分钟）再测取数据。
4.结束时先停加热电源，再停风机。
六.数据处理：
以第一组数据为例，
体积流量：54.02.26p V s ∆==h m /491.5375.32.26354.0=⨯
流速：u d q v 241
π= s m d q u v /30.473600
02.014.3491.53442
2=⨯⨯⨯==π 定性温度下：
密度：由经验公式可得
kg /m 009.1093.140
5030
.4840128.140-5048.30-503=⨯---⨯=
ρ
粘度：s Pa ⋅=⨯---⨯--=
μμ52.196.1940
5030
.48401.19405030.4850
热导率：k m W ⋅=⨯⨯+=-/0281.010)30.480074.04513.2(2λ 空气进口温度下密度：kg /1.153m 1.12830
-4033.30
-30-1.165304030.33403=⨯⨯--=ρ
传热量：
3600
/)(3600/)(1212t t c V t t Wc Q p s p -=-=ρW 43.5163600/)30.3330.63(1005491.53009.1=-⨯⨯⨯=
平均壁温：℃9.99)80.9900.100(2
1
)(2121=+=+=
w w w T T T 管壁温度与管内流体温度的对数平均温差： ℃11.5030.6390.9930.3390.99ln
30
.3330.63ln 2
112=---=---=
∆t T t T t t t w w m
传热膜系数： m t A Q ∆=α
℃/21.13111
.5025.102.014.343
.5162⋅=⨯⨯⨯=∆=
m W t A Q m α 雷诺数：85.532671052.19009
.130.4702.0Re 6
=⨯⨯⨯=
=
-μ
ρ
du 普朗特准数：6966.00281
.01052.191005Pr 6=⨯⨯==
-λ
μ
p C
努塞尔准数：433.930281
.002
.021.131=⨯==
λαd Nu Nu/Pr 0.4：
969.1076966
.0433.93Pr 4
.04.0==Nu
七.结果讨论
1.在双对数坐标上作图，用Excel 回归分析可得到：
（1）对光滑管测量数据：m=0.79，lgA= - 1.679,可得A=0.021。
所以流体在圆管内作强制湍流流动的传热膜系数是半经验关联式：4.079.0Pr Re 021.0=Nu 。
（2）对加强管测量数据：m=0.91，lgA= - 2.107，可得A=0.008.所以在增加流体阻力之后，流体在圆管内作强制湍流的传热膜系数的半经验关联式：
4.091.0Pr Re 008.0=Nu 。
2.圆形直管内强制湍流的公认关联式为4.08.0Pr Re 02
3.0=Nu ，光滑管实验所得半经验公式的A 偏小，m 也偏小，可能原因为出口温度不稳定时读数造成误差偏大，也可能是由于温度计在管中的位置不正确导致测量的温度准确性降低；加强管由于加入填充物，使流体的湍动程度加大，流体阻力增大，进而测得的m 与A 值与未加填充物时不同，导致所得的半经验公式与光滑管的不同。
八.思考题
1.本实验中管壁的温度应接近蒸汽温度还是空气温度？为什么？
答：管壁的壁温接近蒸汽温度，因为蒸汽的传热膜系数较大，壁温更接近于传热
膜系数大的一侧。
2.管内空气流速对传热膜系数有何影响？当空气流速增大时，空气离开热交换器时的温度将升高还是降低？为什么？ 答：由于p n m Gr A Nu Pr Re =，且λ
αλ
μ
μ
ρ
d
Nu Cp du =
=
=
,Pr ,Re ，所以传热膜系数与流速有关，由经验公式可知，传热膜系数正比于
u 0.8。
当空气流速增
大时，空气离开热交换器时的温度将降低，流速增大，使雷诺数增大，进而使传热膜系数变大，由两个等式的比例可得空气离开热交换器时的温度降低。
3.如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α的关联有无影响？ 答：采用不同压强的蒸汽，对
α
的关联无影响，因为压强对公式中各个量的影
响不大。
4.试估算空气一侧的热阻占总热阻的百分数。
答：空气一侧：假设α1=100W/m 2·K ，水蒸汽一侧：假设α2=10000 W/m 2·K ，空气一侧热阻为1/100欧，水蒸气一侧热阻为1/10000欧，所以：
%99%10010000
110011001=⨯+
=ω。