实验四强制对流下传热膜系数的测定
一、实验目的
1．掌握圆形光滑直管（或波纹管）外蒸汽、管内空气在强制对流条件下的对流传热膜系数的测定；
2．根据实验数据整理成特征数关联式。

二、实验原理
1.特征数关联
影响对流传热的因素很多，根据量纲分析得到的对流传热的特征数关联式的一般形式为：
（4-1）式中C、m、n、l为待定参数。

参加传热的流体、流态及温度等不同，待定参数不同。

目前，只能通过实验来确定特定范围的参数、本实验是测定空气在圆管内做强制对流时的对流传热系数。

因此，可以忽略自然对流对对流传热系数的影响，则G r为常数。

在温度变化不太大的情况下，空气的P r可视为常数、所以，准数关联式（4-1）可写成
（4-2）
或
待定参数C和m可通过实验测定蒸汽、空气的有关数据后，根据原理计算、分析求得。

2.传热量计算
努赛尔数N u和雷诺数R e都无法直接用试验测定，只能测定相关的参数并通过计算求得。

当通过套管环隙的饱和蒸汽与冷凝壁面接触后，蒸汽将放出冷凝潜热，冷凝成水，热量通过间壁传递给套管内的空气，使空气的温度升高，空气从管的末端排除管外，传递的热量由下式计算。

（4-3）根据传热速率方程：
（4-4）所以
（4-5）式中：Q——换热器的热负荷（或传热速率），kJ/s；
q m——冷流体（空气）的质量流量，kg/s；
t1——空气的进口温度，℃；
t2——空气的出口温度，℃；
q V1——冷流体（空气）的体积流量，m3/s；
ρ1——冷流体（空气）的密度， kg/m 3； K ——换热器总传热系数， W/(m 2. ℃)；
c pc ——冷流体（空气）的平均定压比热容， kJ/(kg.K)； A ——传热面积， m 2；
Δt m ——蒸汽与空气的对数平均温度差，℃。

T ——蒸汽温度，K 。

空气的体积流量及两种流体的温度等可以通过各种测量仪表测得，由式（4-5）即可算出传热系数K 。

3.对流传热系数的计算
当传热面为平壁，或者当管壁很薄时，总传热系数和与各对流传热系数的关系可表示为：
（4
-6）
式中： α1——管内壁对空气的对流传热系数，W/(m 2
. ℃)；
α2——蒸汽冷凝时对管外壁的对流传热系数，W/(m 2
. ℃)；
当管壁热阻可以忽略（内管为黄铜管，黄铜导热系数λ比较大，而且壁厚b 较小）时：
（4-7）
由于蒸汽冷凝时的对流传热系数远大于管内壁对空气的对流传热系数，即α
2 ﹥﹥α1，所以K ≈α1。

因此，只要在实验中测得冷、热流体的温度及空气的体积流量，即可通过热量衡算求出套管换热器的总传热系数K 值，由此求得管内壁对空气的对流传热系数α1。

4.努塞尔数和雷诺数的计算
（4
-8）
（4-9）
式中：λ——空气导热系数；W/(m. ℃)；
μ——空气的黏度，Pa.s；
d——套管换热器的内管直径（内径），m；
ρ1——进口温度t1时的空气密度，kg/m3；
由于热阻主要集中在空气一侧，本实验的传热面积A取管子的内表面积较为合理，即：
A=πdl
本装置d=0.0178m，l=1.224m。

5.空气的体积流量和密度的计算
空气的流量由1/4喷嘴流量计测量，合并常数后，空气的体积流量可由下式计算
（4-10）式中：
q V1——空气的体积流量，m3/s；
△p——喷嘴流量计压差示值，Pa；
空气的密度ρ1可按理想气体计算：
（4-11）式中：P a——当地大气压，mmHg；
t——流量计前空气温度，ºC，可取t=t1；
R P——流量计前空气的表压，mmHg；
三、实验装置
四、操作步骤：
1．将水装入电热蒸汽发生器，液位在液面计2/3高度处为宜，不能低于电加热棒的位置；
2. 接通电源，按下加热按钮1和2，加热产生蒸汽，当达到预设温度时，关闭加热按钮1；
3．在旁路阀全开的情况下启动风机，然后关小旁路阀调节风量。

4．打开蒸汽阀，往套管换热器内通入蒸汽，并打开排气阀，排除不凝性气体，待有水蒸汽喷出时即关闭。

实验过程中要间歇排除不凝性气体。

5．用旁路阀调节风量由小到大变化，记录7 组数据，注意在每次改变流量后需侍传热稳定后再记录有关数据。

6．实验结束，关闭蒸汽、停运风机，拉下电闸并检查仪表是否完好。

五、实验记录及数据处理
1. 传热实验记录表
设备编号；管型；室温 33.1 ℃；
大气压 100050 Pa；加热蒸汽压 Pa；
原始数据如下
数据处理所用公式有
有上图可知，斜率即为m值，m=0.8453、截距即为lgC，故参数lgC=-9.73,所以特征数关联式为 Nu=1.85*10-10Re0.8453
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）。