实验报告
课程名称：过程工程原理实验（甲）Ⅰ指导老师：成绩：
实验名称：对流传热系数的测定同组学生姓名：
一、实验目的和要求
1.掌握空气在传热管内对流传热系数的测定方法，了解影响传热系数的因素和强化传热的途径。
2.把测得的数据整理成n
Nu形式的准数方程，并与公认式进行比较。
ARe
=
3.了解温度、加热功率、空气流量的自动控制原理和使用方法。
二、实验装置与流程
本实验流程图如下图1、2所示，实验装置由蒸汽发生器、孔板流量计（变送器）、变频器、套管换热器（强化管和普通管）及温度传感器、智能显示仪表等构成。
空气-水蒸气换热流程：来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器的壳程，与被风机抽进的空气进行换热交换，不凝气或未冷凝蒸汽通过阀门（F3和F4）排出，冷凝水经排出阀（F5和F6）排入盛水杯。空气由风机提供，流量通过变频器改变风机转速达到自动控制，空气经孔板流量计进入套管换热器的管程，热交换后从风机出口排出。
注意：普通管和强化管的选取：在实验装置上是通过阀门（F1和F2）进行切换，仪表柜上通过旋钮进行切换，电脑界面上通过鼠标选取，三者必须统一。
图1 横管对流传热系数测定实验装置流程图
图2 竖管对流传热系数测定实验装置流程图
图中符号说明见下表所示
三、实验内容和原理
在工业生产过程中，大量情况下，采用间壁式换热方式进行换热。所谓间壁式换热，就是冷、热两种流体之间有一固体壁面，两流体分别在固体壁面的两侧流动，两流体不直接接触，通过固体壁面（传热元件）进行热量交换。
本装置主要研究汽—气综合换热，包括普通管和加强管。其中，水蒸汽和空气通过紫铜管间接换热，空气走紫铜管内，水蒸汽走紫铜管外，采用逆流换热。所谓加强管，是在紫铜管内加了弹簧，增大了绝对粗糙度，进而增大了空气流动的湍流程度，使换热效果更明显。
3.1 间壁式传热基本原理
如图3所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。
T
t
图1间壁式传热过程示意图
图3 间壁式传热过程示意图
间壁式传热元件，在传热过程达到稳态后，有
热流体与固体壁面的对数平均温差可由（2）式计算：
固体壁面与冷流体的对数平均温差可由（3）式计算：
热、冷流体间的对数平均温差可由（4）式计算：
式中：Q ——传热量，s J /；
1m 、2m ——分别为热流体、冷流体的质量流量，s kg /； 1p c 、2p c ——分别为定性温度下热流体、冷流体的比热，()C kg J ??/；
1T 、2T ——分别为热流体的进、出口温度，C ?； 1t 、2t ——分别为冷流体的进、出口温度，C ?； 1α、2α——分别为热流体、冷流体与固体壁面的对流传热系数，(
)
C m W ??2
/；
1A 、2A ——分别为热流体、冷流体测的传热面积，2
m ； ()M W
T T -、()m w t t -——分别为热流体、冷流体与固体壁面的对数平均温差，C ?；
K ——以传热面积A 为基准的总传热系数，(
)
C m W ??2
/； A ——平均传热面积，2m ；
m t ?——冷、热流体的对数平均温差，C ?。
本实验的强化管或普通管换热，热流体是蒸汽，冷流体是空气 3.2空气流量的测定
空气在无纸记录仪上显示的体积流量，与空气流过孔板时的密度有关，考虑到实际过程中，空气的进口温度不是定值，为了处理上的方便，无纸记录仪上显示的体积流量是将孔板处的空气密度ρ0当作1kg/m 3时的读数，因此，如果空气实际密度不等于该值，则空气的实际体积流量应按下式进行校正：
'ρV
V =
（5）
空气质量流量m ：0'ρV m = （6） 式中：'V ——空气实际体积流量，s m /3
；
V ——无纸记录仪上显示的空气的体积流量，s m /3。
0ρ——空气在孔板处的密度，3
/m kg 。本实验中0ρ即为空气在进口温度t1下对应的密度。
3.3空气在传热管内对流传热系数α的测定 3.3.1牛顿冷却定律法
在本装置的套管加热器中，环隙内通水蒸气，紫铜管内通空气，水蒸气在紫铜管表面冷凝放热而加热空气。在传热过程达到稳定后，空气作为冷流体，空气侧传热由式（1）可得：
()()m W t t A t t mc -=-α12 （7）
即
()()m
W t t A t t mc --=
12α （8）
1
W t 和
2
W t 分别是换热管空气进口处的内壁温度和空气出口处的内壁温度，当内管材料
导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度较小时，可认为11W W t T ≈及22W W t T ≈， 1W T 和2
W T 分别是空气进口处的换热管外壁温度（T3和T6）和空气出口处的换热管外壁温度（T2和T5），见流程图。
一般情况下，直接测量固体壁面温度，尤其是管内壁温度，实验技术难度较大，因此，工程上也常采用通过测量相对较易测定的流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流传热系数。
下面介绍其他两种测定对流传热系数α的实验方法（3.3.2和 3.3.3）。 3.3.2近似法
以管内壁面积为基准的总传热系数与对流传热系数间的关系为：
112121'221
1d d d d R d bd R K S m
S αλα++++= （9） 式中：1d 、2d ——分别为换热管的外径、内径，m ； m d ——换热管的对数平均直径，m ； b ——换热管的壁厚，m ；
'λ——换热管材料的导热系数，()C m W ??/；
1S R 、2S R ——分别为换热管外侧、内侧的污垢热阻，W K m /2?。
总传热系数K 可由式（1）求得：
()m
p m t A t t c m t A Q
K ?-=
?=
1222 （10） 用本装置进行实验时，管内空气与管壁间的对流传热系数2α约为几十到几百W /m2? K ；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数α1可达~104W/ m2? K 左右，因此冷凝传热热阻
1
12
d d α可忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻1
2
1
d d R S 也可忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数'
λ为383.8W/m? K ，壁厚为1.5mm ，因此换热管壁的导热热
阻m
d bd '2λ可忽略。若换热管内侧的污垢热阻R S2也忽略不计，则由式（9）得，
K ≈α （11）
由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法测得的α的准确性就越高。
3.3.3简易Wilson 图解法
空气和蒸汽在套管换热器中换热，空气在套管内被套管环隙中的蒸汽加热，当管内空气做充分湍流时，空气侧强制对流传热系数可表示为
8
.0Cu
=α （12）
将式（12）代入式（9），得到：
1
12121228.01
1d d d d R d bd R Cu K S m S αλ++++= （13） 依据3.3.2的分析，式（13）右侧后三项在本实验条件下可认为是常数，则由式（13）
可得：
常数+=8
.011Cu K （14） 式（14）为B mX Y +=线性方程，以K Y 1=，8.01
u
X =作图，如图4-4所示；
图4 简易Wilson 图解法作图
由实验线的斜率m 得到：
m
u Cu
8
.08
.0==α （15） 3.4 拟合实验准数方程式
由实验获取的数据计算出相关准数（Nu 和Re ）后，在双对数坐标纸上，拟合Nu ~Re 直线，从而确定拟合方程，得出实验关系式：
n
A Nu Re = （16） 式中：Nu ——努赛尔数，λ
αd
Nu =
，无因次； Re ——雷诺数，μ
ρ
du =
Re ，无因次；
3.5 传热准数经验式
对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，传热准数经验式为：
n Nu Pr Re 023.08.0= （17）
式中：Pr ——普兰特数，λ
μ
c =
Pr ，无因次。
上式适用范围为：5
4
102.1~100.1Re ??=，,120~7.0Pr =管长与管内径之比
60≥d L 。当流体被加热时4.0=n ，流体被冷却时3.0=n 。
式中：λ——定性温度下空气的导热系数，()C m W ??/； u ——空气在换热管内的平均流速，s m /；
ρ——定性温度下空气的密度，3
/.m kg ； μ——定性温度下空气的黏度，s Pa ?。
在本实验条件下，考虑Pr 变化很小，可认为是常数，则（17）改写为：
8.0Re 02.0=Nu （18）
附注：在 0-100℃之间，空气物性与温度的关系式有如下拟合公式： （1）空气的密度与温度的关系式：ρ = 10-5 t
2
- 4.5?10-3 t +1.2916
（2）空气的比热与温度的关系式： 60 ?C 以下C p = 1005J /(kg ? ?C )，
70 ?C 以上C p = 1009J /(kg ??C )。
（3）空气的导热系数与温度的关系式：λ = -2 ?10-8 t 2
+ 8?10-5
t + 0.0244
（4）空气的黏度与温度的关系式：μ = (
- 2 ?10-6 t 2 + 5?10-3
t +1.7169)
?10-5
四、操作方法和实验步骤
1.检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常，将蒸汽发生器灌水至液位2/3
处。
2.打开总电源开关、仪表电源开关，开启蒸汽发生器加热。同时，稍微开启两个不凝气体排出阀，控制温度在100C ?左右。
3.等有大量不凝气体冒出时，蒸汽缓缓进入换热器环隙以加热套管换热器，再打开换热器冷凝水排放阀，使环隙中的冷凝水不断地排出。
4.启动风机，选择设备的普通管，选择仪表及显示的测定管路与设备必须一致，通过控制软件上的“流量设定”，合理分配流量，调节风量至最大值进行实验，然后依次减小空气流量。待流量和热交换稳定后，采集数据。
5.普通管测好后．切换阀门选择设备的强化管，选择仪表及电脑显示的测定管路与设备必须一致，数据测定方法同步骤4，采集数据。
6.实验结束时，先关闭蒸汽发生器电源，待蒸汽发生器内温度下降至95C ?以下后，再关闭风机电源，关闭总电源，做好清洁工作。
五、实验数据记录及处理
1.普通管
表1 普通管原始数据
运用附注中的公式（1）计算空气的在各个温度下相应的密度，再根据公式(5)、(6)将空气的体积流量转化为质量流量 运用公式(1)进行计算传热速率：
表2 校正流量，质量流量及传热速率 a.平均传热温差 （牛顿冷却定律法）：
根据所测的管的外壁温以及所测的冷流体进出温度算出温度推动力，再根据对数平均计算平均传热温差
b. 平均传热温差? （近似法）
根据所测的管外蒸汽温度以及所测的冷流体进出温度算出温度推动力，再根据对数平均计算平均传热温差?
表3 平均传热温差 及平均传热温差?
根据所给数据算出管的内表面积: ? ?
? ?
a.牛顿冷却定律法
根据公式(7)、(8)进行计算（也用对数平均来求取温差）：b.近似法
用 根据公式(1)进行计算：
简易Wilson图解法
根据公式(14)作图，运用近似法求得K
根据图形的拟合，可得直线的斜率m=1/C=0.1301。
再根据公式(15)，求取对流传热系数：
表5 简易Wilson图解法对流传热系数
三种方法比较：
表7 强化管原始数据记录
运用附注中的公式（1）计算空气的在各个温度下相应的密度，再根据公式(5)、(6)将空气的体积流量转化为质量流量 运用公式(1)进行计算传热速率：
表8 校正流量，质量流量及传热速率 a.平均传热温差
（牛顿冷却定律法）：
根据所测的管的外壁温以及所测的冷流体进出温度算出温度推动力，再根据对数平均计算平均传热温差
b. 平均传热温差? （近似法）
根据所测的管外蒸汽温度以及所测的冷流体进出温度算出温度推动力，再根据对数平均计算平均传热温差?
表9 平均传热温差 及平均传热温差?
根据所给数据算出管的内表面积: ?? ??
a.牛顿冷却定律法
根据公式(7)、(8)进行计算（也用对数平均来求取温差）：
b.近似法
用?根据公式(1)进行计算：
表10 牛顿冷却定律法及近似法测对流传热系数
根据公式(14)作图，运用近似法求得K
图6 1/K-1/u^0.8拟合图再根据公式(15)，求取对流传热系数：
表11 简易Wilson图解法对流传热系数
三种方法比较：
表12 三种方法对流传热系数
实验数据分析
总结两管冷流体的一些物性
根据附注中所给的公式用冷流体的定性温度计算出冷流体的黏度、导热率等，再将它们与冷流体的流速、密度、对流传热系数等因素整合在一起：
拟合实验准数方程式
通过定义求出努塞尔数Nu和雷诺数Re的值：
图7 Nu-Re双对数坐标系曲线拟合
其中，，，，，
所以普通管的拟合结果为：
强化管的拟合结果为：
而传热经验式为：，利用传热经验式任意地取几组（Nu,Re）点，将其与普通管、强化管在同一张图上显示：
表15 传热经验式的Nu和Re
图8 拟合曲线总和图
因为努塞尔数Nu代表了对流传热与厚度为d的流体层内热传导之比，努塞尔数Nu越大，对流传热强度越大。从上图中可看出，在相同的雷诺数Re条件下，强化管的努塞尔数Nu＞普通管的，即强化管空气侧的对流传热强度比普通管的，所以相同条件下强化管比普通管的传热量更多，即传热效果更好。这一实验结果与理论相吻合。（理论上将流体侧的热阻都假想成集中于管内壁上热边界层，热边界层从入口开始从零开始增长直到汇合于圆管中心线，边界层越薄，则对流传热系数越大。如果边界层中出现湍流，则湍流的扰动和混合作用会使局部对流传热系数有所提高，而强化管中的弹簧就是相当于起到了让边界层中出现湍流，增加流体的湍动程度的作用。）
再对比通过实验所拟合的普通管、强化管的Nu-Re线与用传热经验公式所拟合的Nu-Re 线，可以发现，普通管所拟合的线应与传热经验公式相近，而强化管会高于两者。这与理论相符
本实验可能存在的误差有：
1.实验过程存在不可忽视的热损失，实验装置只用了一层黑泡沫包裹保温，且有一段
没有包裹，所以热流体的热损失很大，削减了传热效果；
2.可能是因为实验中的热流体侧的冷凝水没有排尽，实验中不仅有冷凝过程，还有冷却
过程，大大削减了传热效果；
3.且我们后续的拟合数据是通过近似法求得，如果管壁上有污垢，那么管壁上的传热热
阻就不能忽略，污垢的存在加大了传热热阻，削减了传热效果，且计算得的实验数据本身误差就比较大；
4.在实验中是将空气近似为理想气体，将孔板流量计处的压强近似看成大气压，但流速
改变，对应的压强也会相应改变，会对实验结果产生误差；
5.每次记数据的等待时间太短了，体系还未形成一种稳态，所以导致了实验误差；
6.强化管的拟合公式与传热经验公式不匹配还有一个特殊的原因，即传热经验公式的针
对对象是对圆形直管，而强化管内安有弹簧，装置不能再严格称为圆形直管；
7.强化管取的数据点太少了，误差较大；
8.实验仪器读数存在误差。
通过普通管和强化传热管实验结果的对比，并结合理论知识，我们可以总结出在其他条件相同的情况下，流体的传热系数决定于假象的热边界层的厚度，强化传热管中的弹簧在不断破坏热边界层减小热阻增加传热。减小热边界层的厚度，即增加流体的湍动程度，我们可以通过减小管径、加大流速、将管壁做得凹凸不平或直接利用机械加工方法在换热表面上形成一定的结构等方式来强化传热途径。
强化传热管的强化效果
将相同雷诺数Re下的努塞尔数Nu的比值定义为强化比，自定义符号为H，所以：
强
普
当Re值为10000-100000时，强化比H的值约为1.64，强化效果比较显著，实验结果
较好。
六、思考题
1.实验中冷流体的和蒸汽的流向，对传热效果有何影响？
答：没有影响。本次实验中蒸汽只考虑冷凝二位考虑冷却，所以冷流体进出位置的蒸汽温度都是T，所以不管冷流体和蒸汽是并流还是逆流，平均传热温差都相同，即传热推动力相同，所以不会影响传热效果。
2.在计算冷流体质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值是否一致？它们别表示什么位置的密度，应在什么条件下进行计算？
答：不一致。计算冷流体质量流量时所用到的密度是冷流体在孔板流量计处的密度，应用冷流体进口的温度来计算；而求雷诺数时的密度是冷流体处于有效换热段时的密度，但是这个密度从冷流体进换热段到出换热段都在改变，所以我们就用冷流体在换热段的定性温度（进出口温度的算术平均值）来计算。
3.实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如何及时排走冷凝水？如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对关联式有何影响？
答：1.实验过程中，冷凝水不及时排走的话，就相当于蒸汽的整个传热过程为冷凝加冷却，而冷凝水的传热过程更偏向于自然对流，其对流传热系数比起水蒸气的冷凝的对流传热系数小了一个数量级，传热效果远没有蒸汽冷凝强，并且冷凝水的存在，使水蒸气的有效传热面积减少，使整个体系的传热效果恶化。
2.通过打开冷凝水排出阀至有微量蒸汽冒出，且等三四分钟后忽然开大冷凝水排出
阀而流出的冷凝水的量没有变大，则说明方才的开度下，冷凝水已被及时移走了。
3.用不同压强的蒸汽进行实验，热流体侧的对流传热热阻仍可以忽略，α关联式仍
为
，所以可以认为是无影响，其中的温度将会发生改变。