化工原理实验之对流传热实验化工原理实验报告之传热实验学院学生姓名专业学号年级二Ο一五年十一月一、实验目的1.测定冷空气—热蒸汽在套管换热器中的总传热系数K；2.测定空气或水在圆直管内强制对流给热系数；3.测定冷空气在不同的流量时，Nu与Re之间的关系曲线，拟合准数方程。

二、实验原理（1）冷空气-热蒸汽系统的传热速率方程为mt KA Q ∆= )ln(2121t t t t t m ∆∆∆-∆=∆，11t T t-=∆，22t T t -=∆)(21t t C V Q p -=ρ式中，Q —单位时间内的传热量，W ;A —热蒸汽与冷空气之间的传热面积，2m ，dl A π=; m t ∆—热蒸汽与冷空气之间的平均温差，℃或K K —总传热系数，)℃/(2⋅m W ； d —换热器内管的内直径，d =20mm l —换热器长度，l =1.3m ；V —冷空气流量，s m /3；pC 、ρ—冷空气密度，3/m kg 空气比热，kg J /;21t t 、—冷空气进出换热器的温度，℃； T —热蒸汽的温度，℃。

实验通过测量热蒸汽的流量V ，热蒸汽进、出换热器的温度T 1和T 2 （由于热蒸汽温度恒定，故可直接使用热蒸汽在中间段的温度作为T ）,冷空气进出换热器的温度t 1和t 2，即可测定K 。

（2）热蒸汽与冷空气的传热过程由热蒸汽对壁面的对流传热、间壁的固体热传导和壁面对冷空气的对流传热三种传热组成，其总热阻为：2211111d h d d bd h K m ++=λ 其中,21h h 、—热空气，冷空气的给热系数，)℃/(⋅m W ；21d d d m 、、—内管的内径、内外径的对数平均值、外径，m ； λ—内管材质的导热系数，)℃/(⋅m W 。

在大流量情况下，冷空气在夹套换热器壳程中处于强制湍流状态，h2较大，221d h d 值较小；λ较大，md dλ1值较小，可忽略，即 1h K ≈（3）流体在圆形直管中作强制对流时对管壁的给热系数关联式为n m C Nu Pr Re '=。

式中：Nu —努塞尔准数，11λdh Nu =，1λ—空气的导热系数，)℃/(2⋅m W ；Re —雷诺准数，μρdu =Re ,—热蒸汽在管内的流速，s m /；Pr —普兰特准数，1Pr λμP C =；μ—热蒸汽的黏度，s Pa ⋅。

u对冷空气而言，在温度范围较大的情况下，Pr基本不变，n为常数，则上式可简化为：mC PrC'=。

=，式中nCNu Re实验中改变冷空气的流量，热蒸汽和冷空气两流体间的平衡将发生变化，与之对应的两个准数Re、Nu也随之改变，进而可在双对数坐标下作出Re与Nu的关系是一直线。

拟合出此直线方程，即为Re 与Nu的准数方程。

三、实验流程与实验装置图蒸汽发生器将水转化为蒸汽，并加热冷空气，空气和蒸汽通过套管换热器进行热量交换。

实验装置以及流程示意图如下：四、实验操作步骤1、熟悉传热实验流程及仪表使用，检查设备，做好运转实验操作准备。

2、启动控制箱总电源，然后启动蒸汽釜开关电源，烧水产生蒸汽，同时对管道系统预热。

3、预热期间作出数据记录表，观察设备型号，熟悉实验流程及装置的操作方法，掌握待测参数的具体意义及在数据处理中的应用方法。

4、观察管道上的温度计，待到两根换热器上的六个温度计示数均上升至93℃以上时，准备开启风机。

（等待温度升高的同时需要不时对换热器排放冷凝水使其温度较为快速的上升。

排水的同时注意不要让水溅出滴在下方的涡轮流量计上。

）4、开启上球阀，关闭下球阀，将闸阀开到最大，启动风机电钮。

此时记录最大流量，然后调节闸阀到最小，待流量稳定后读出最小流量，将最小流量与最大流量之间等分为五个流量间隔共计六个流量，从最小流量开始，待系统稳定3分钟到5分钟后，依次从控制箱显示器上读取空气流量、从相应温度计上读取蒸汽温度、空气进出口温度并记录数据，一直测到最大流量附近处，共计测量六次，完成测量换热器1的数据采集。

5、重复以上步骤，采集换热器2的实验数据。

6、实验数据采集完后，将所得数据交于指导老师处查看，经指导老师同意后，关机离开实验室。

五、实验数据记录设备号：传热实验装置CR-013；换热器类型：普通套管换热器换热器尺寸：管径5.225⨯φ； 管长m 3.1序号)/(3h m q v蒸汽温度)℃(T冷空气进口温度)℃(1t冷空气出口温度)℃(2t1 26.7 98.7 24.1 68.2 2 33.0 99.2 24.0 67.73 39.5 99.0 24.6 67.24 46.1 98.8 26.2 67.15 52.7 98.7 29.0 67.7 655.897.630.267.4设备号：传热实验装置CR-013；换热器类型：螺旋套管换热器 换热器尺寸：管径5.225⨯φ； 管长m 3.1；螺纹深度1mm ；螺纹中心距3mm序号)/(3h m q v蒸汽温度)℃(T冷空气进口温度)℃(1t冷空气出口温度)℃(2t1 19.9 99.3 19.8 65.52 26.4 99.5 20.3 66.5 3 32.9 99.3 21.2 67.24 39.4 99.5 22.8 68.2 5 46.1 99.4 24.9 68.96 52.899.228.570.1六、典型计算（以普通套管换热器的第一组实验数据为例） 原始数据v q =26.7h m /3，蒸汽温度T =98.7℃,冷空气进口温度1t =24.1℃，出口温度2t 68.2℃。

计算原理公式：m t KA Q ∆==)(21t t C V Q p -=ρ。

（1）计算总传热系数K 空气进出口平均温度为221t t +=46.15℃， 查表得到该温度附近处空气的密度为 1.0933/m kg ,定压热容)/(017.1K kg kJ C p ⋅=。

则)(21t t C q Q p v -⋅⋅⋅=空气空气ρ=360010017.1093.17.263⨯⨯⨯=363.57w 计算换热面积：21021.03.1025.0m dl A =⨯⨯==ππ计算m t ∆：℃306.49)2.687.98()1.247.98(ln )2.687.98()1.247.98()ln()()()ln(21212121=-----=-----=∆∆∆-∆=∆t T t T t T t T t t t t t m 则：)℃/(221.72306.491021.057.3632⋅=⨯=∆⋅=m W t A Q K m （2）计算Re 和Nu 空气进出口平均温度为221t t +=46.15℃，查表得到该温度附近处空气的黏度s Pa ⋅⨯=-51096.1μ，导热系数)/(10826.22K m W ⋅⨯=-λ。

根据公式μρdu =Re 计算s m d q A q u v v /608.23360002.047.264122=⨯⨯⨯=⨯==ππ 则15.263301096.1093.1608.2302.0Re 5=⨯⨯⨯==-μρdu由前文实验原理部分说明得：K h ≈1,Re则112.5110826.202.0221.72211=⨯⨯==-λdh Nu同理可求得其他组的数据，需要特别说明得是，螺旋管的传热面积计算与普通管不同，这里以螺旋管第一组数据为例计算：21858.03.1025.082.182.1m dl A =⨯⨯⨯=⨯=ππ关于螺旋管的其他计算均与普通管相同，参照上述计算方法可以得到螺旋管的相应数据结果。

整理得下表： 普通套管换热器序号流量 )/(3h m q v 传热速率 )(W Q 平均温差 ℃)(m t ∆ 总传热系数))/((2K m W K ⋅ 给热系数 ))/((21K m W h ⋅1 26.7 1308.853 49.306 72.221 72.221 26330.150 51.112 2 33.0 1603.011 50.220 86.842 86.842 32542.883 61.459 3 39.5 1870.457 50.118 101.537 101.537 38952.844 71.859 4 46.1 2095.875 49.357 115.527 115.527 45461.421 81.760 5 52.7 2267.058 47.765 129.129 129.129 51969.997 91.386 655.8 2307.375 46.338135.474135.47455027.056 95.877螺旋套管换热器NuRe序号流量 )/(3h m q v 传热速率 )(W Q 平均温差 ℃)(m t ∆ 总传热系数))/((2K m W K ⋅ 给热系数 ))/((21K m W h ⋅1 19.9 1039.173 53.432 29.073 29.073 19624.344 20.575 2 26.4 1393.684 52.772 39.479 39.479 26034.306 27.940 3 32.9 1729.308 51.736 49.967 49.967 32444.268 35.362 4 39.4 1988.352 50.654 58.679 58.679 38854.230 41.528 5 46.1 2254.731 49.268 68.411 68.411 45461.421 48.416 652.8 2441.565 46.86277.88377.88352068.612 55.119由实验所得数据做出两个管Re 与Nu 的关系曲线，如下图所示：10310410510N uReNu图一 普通套管换热器Re 与Nu 的关系曲线10uN103104105Re图二螺旋套管换热器Re与Nu的关系曲线七、实验结果分析与讨论1、实验结果分析：在本次实验中，我们对普通套管换热器以及螺旋管换热器在蒸汽-冷空气流体系统下的传热性能及相关参数进行了实验测定。

从最终所得实验数据中可以发现，两种换热器的共同点在于在相近流量条件下，两者的平均温差相近，最终的Re-Nu关系曲线都是一条直线。

然而，普通管换热器的的温差，传热速率，都明显小于螺旋管换热器，同时传热系数也高于螺纹管，造成这一现象的主要原因是螺纹管换热器的传热面积平均为普通管的1.82倍，于是导致温差较大，从而传热速率较大，但是由于系统存在热量损失，所以在传热速率以及面积同时增长的情况下给热系数反而较普通管低。

综上，可以得到普通套管换热器与螺旋套管换热器的Re-Nu 关系曲线大致相同。

流体在管内呈强制湍流状态时两参数符合对数线性相关，在Re 为20000-50000范围，7.0Pr ≈，6502.03.1==d l >60时，)(Pr Re 027.033.08.0wNu μμ=，由此可以推算出管壁壁温，再推算出间壁的导热系数k 。