实验三、空气沿横管外表面自然对流换热实验
一、实验目的
1、测定无限空间内水平横管和空气间自由流动时的放热系数。
2、根据自由流动放热过程的相似分析，将实验数据整理成准则方程式。
3、通过实验加深对相似理论的理解，并初步掌握在相似理论指导下进行实验研究的方法。 二、实验原理
根据相似原理，空气自由流动放热过程准则方程由下式描述：
)(γγP G f N u ?=
通常用幂函数形式来表示：n u P G c N )(γγ?=
通过实验确定准则方程式的函数形式，即确定准则
方程式中的系数C 和指数n 。
λ
αd
N u =
2
32
2υβνβγt
d g t
g G ?=
?=
α
ν
γ=P
（ P γ准则数也可以根据定性温度由书后附录查得）
d —定型尺寸即横管外径； g —重力加速度：
t m —定性温度。 t m =
2
w f
t t +
△t — △t=t w -t f
v —空气运动粘度； λ—空气导热系数； β—空气容积膨胀系数，β=
1
m
T 为了具体确定（1）式，根据相似定理，通过实验测得或者从书后附录中查得上述所有物理量。而放热系数α是通过计算求得的。
由热量平衡，水平横管内电加热器发出的热量等于横管上空气自由流动放热量加横管辐射换热热量。
电加热器发热量
Q=IV （W ） 横管上空气自由流动放热量
Q=αF （t w -t f ） （W ）
其中；F=dI π2
（m ） I 为计算管长（m ）。
横管辐射换热量
Q=4
4[100100
f o T T C F ωε-（
）（） ] （W ） 其中： ε—横管表面黑度，查附录7，磨光的铬ε=0.058；
Co —黑体辐射系数，Co=5.67（W/㎡?K 4
） 由于： Q=Q 1+Q 2 即：
IV=4[100f o T F
t t C F ωωαω-+-4
f T （）（）（）]100
44
[]
100W O f T IV C F F t t ωεα--=-f T （）（）100（）
W/㎡?℃ （2）
三、实验装置
实验装置有试验管（为降低辐射散热量的影响，试管表面镀铬抛光），放试验管的支撑架，转换开关盒等。测量仪表有电位差计，直流电源。试验管上有热电偶（4对）嵌入管壁，可反映出管壁的热电势；电位差计上的“未知”接线柱按极性和转换开关盒上的接线柱（红正黑负）相连，用于测量室内空气和管壁的热电势；直流电源可输入稳定的电压和电流，使加热功率保持恒定
四、实验步骤：
1、连接加热器线路，经验查无误后即可接同电源，调节变压器到所需电压，进行加热。
2、正确连接热电偶测温线路，
3、每隔十分钟测热电偶电势一次，当电势不再随时间而变时，加热达到了稳定工况，以连续二次测定的平均值为测定结果，记录下来。
4、测定远离水平管处的空气温度t f 。
5、调节变压器，以达到在另一个温度下的稳定工况，以取得另外一组实验数据。
记 录 表 试件
编号＿＿＿＿＿＿＿ 长度L=＿＿＿＿＿m 直径d=＿＿＿＿m
注意事项：试验进行过程中不要进入玻璃层内。 五、实验结果计算及整理
1、计算壁面平均温度t w 室温 t f ；
2、计算加热量Q=IV ；
3、按（2）式算出α值；
4、算出定性温度t m ，并由此温度查空气物性数据；
5、计算Num 及Gr 、Pr 和（Gr ，Pr ）值；
每个同学由于作了二次试验，各有两套数值，连同另外三组总共得到8个数据。在IgNum-Ig （Gr ?Pr ）m 图上可以作出点过8点作出直线（使直线与8个点距离尽量靠近）
6、在所作直线上任取二点①、②，按下式计算n 值 N=tg φ
=
21r 2r 1
P P u g m g u m g r m g r m I N I N I G I G --（）（）（）（） （3）
7、在①、②点中取一点③按下式计算G 值 r 3
3
P n
r m Num G G =
?（） （4） 六、实验报告内容
1、实验过程所测定的数据原始记录；
2、实验结果整理计算书；
3、绘制IgNum-Ig （Gr ?Pr ）m 图，并求出C 、n 值，写出准则方程式；
4、实验结果分析和讨论。
. . .. . . 浙江大学 化学实验报告 课程名称：过程工程原理实验甲 实验名称：对流传热系数的测定指导教师： 专业班级： 姓名： 学号： 同组学生： 实验日期： 实验地点：
目录 一、实验目的和要求 (2) 二、实验流程与装置 (2) 三、实验容和原理 (2) 1.间壁式传热基本原理 (2) 2.空气流量的测定 (2) 3.空气在传热管对流传热系数的测定 (2) 3.1牛顿冷却定律法 (2) 3.2近似法 (2) 3.3简易Wilson图解法 (2) 4.拟合实验准数方程式 (2) 5.传热准数经验式 (2) 四、操作方法与实验步骤 (2) 五、实验数据处理 (2) 1.原始数据： (2) 2.数据处理 (2) 六、实验结果 (2) 七、实验思考 (2)
一、实验目的和要求 1）掌握空气在传热管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形式的准数方程，并与教材中公认 经验式进行比较； 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、实验流程与装置 本实验流程图（横管）如下图1所示，实验装置由蒸汽发生器、孔板流量计、变频器、套管换热器（强化管和普通管）及温度传感器、只能显 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，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管，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择，三者 必学统一。
01 对流传热系数的测定 一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的和要求 1.掌握空气在普通和强化传热管内的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 的径。 2.把测得的数据整理成B Re n Nu=?形式的准数方程式，并与教材中相应公式进行比较。 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、实验内容和原理 在实际生产中，大量情况采用的是间壁式换热方式进行换热，就是冷、热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，不直接接触，通过固体壁面进行热量交换。 本实验主要研究汽—气综合换热，包括普通管和强化管。其中，水蒸气和空气通过紫铜管间接换热，空气走紫铜管内，水蒸气走紫铜管外，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。 1. 空气在普通和强化传热管内对流传热系数的测定 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 Figure 1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 ()()()()111222211122--α-α-Δp p W W m M m Q m c T T m c t t A T T A t t KA t =====（1） 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，()2/W m C ??； 1A 、2A ——分别为热流体、冷流体测的传热面积，2m ； ()W M T T -、()w m 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 ——传热面积，2m ； m t Δ——冷、热流体的对数平均温差，C °。 热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（2）计算： ()()()112211 22 ----ln -W W W m W W T T T T T T T T T T -= （2） 式中：1W T 、2W T ——分别为热流体进、出口处热流体侧的壁面温度，C ?。 冷流体与固体壁面的对数平均温差可由式（3）计算：
化学实验教学中心 实验报告 化学测量与计算实验Ⅱ 实验名称：气-汽对流传热综合实验报告 学生姓名：学号： 院（系）：年级：级班 指导教师：研究生助教： 实验日期： 2017.05.26 交报告日期： 2017.06.02
（二）强化管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定 强化传热又被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。强化传热的方法有多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热的。 螺旋线圈的结构图如图1所示，螺旋线圈由直径 3mm以下的铜丝和钢丝按一定节距绕成。将金属螺旋 线圈插入并固定在管内，即可构成一种强化传热管。 在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋 转，一面还周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以使传热强化。由于绕制线圈的金属丝直径很细，流体旋流强度也较弱，所以阻力较小，有利于节省能源。螺旋线圈是以线圈节距H与管内径d的比值技术参数，且长径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。科学家通过实验研究总结了形式为αα=Bααα的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。 采用和光滑套管同样的实验方法确定不同流量下得Rei和αα，用线性回归方法可确定B和m的值。 单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评 ?，其中αα是强化管的努塞尔准数，αα0是普通管判准则，它的形式是：αααα0 ?>1，而且它的值越大，强化效果越好。 的努塞尔准数，显然，强化比αααα0
《气-汽对流传热系数的测定》实验 一、仪器设备简介 流程如图，冷空气由风机13，经孔板流量计11计量后，进入换热器内管，并与套管环隙中蒸汽换热。空气被加热后，排入大气。空气的流量可用控制阀9调节。 1 、蒸汽发生器 2、蒸汽管 3、补水口 4、补水阀 5、排水阀 6、套管换热器 7、放气阀 8、冷凝水回流管 9、空气流量调节阀 10、压力传感器 11、孔板流量计 12、空气管 13、风机 二、试验目的、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联式中的系数A 和指数m 、n 的方法。 3、通过实验提高对α准数关联式的理解，并分析影响α的因素，了解工程上强化传热的措施。 三、实验原理及步骤 1、实验原理： 对流传热的核心问题是求算传热膜系数α，当流体无相变式对流传热准数关联式的一般形式为： Nu=A·R e m ·P r n ·G r p 对于强制湍流而言，G r 准数可以忽略，故 Nu=A· R e m ·P r n 本实验中，可用图解法和最小二乘法计算上述准数关联式中的指数m 、n 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R e m 和P r 分别回归。本实验可简化上式，即取n=0.4（流体被加热）。这样，上式即变为单变量方程，在两边取对数，既得到直线方程： lg(Nu/P r 0.4)=lgA+mlgR e 在双对数坐标中作图，找出直线斜率，即为方程的指数m 。在直线上任取一点的函数值带入方程式中，则可得到系数A ，即 A=Nu/(P r 0.4·R e m ) 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，可以得到最佳关联式。应用微机，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。其准数定义式分别为：
知识点4－5 对流传热系数关联式 【学习指导】 1．学习目的 通过本知识点的学习，了解影响对流传热系数的因素，掌握因次分析法，并能根据情况选择相应的对流传热系数关联式。理解流体有无相变化的对流传热系数相差较大的原因。 2．本知识点的重点 对流传热系数的影响因素及因次分析法。 3．本知识点的难点 因次分析法。 4．应完成的习题 4-11 在一逆流套管换热器中，冷、热流体进行热交换。两流体进、出口温度分别为t1=20℃、t2=85℃；T1=100℃、T2=70℃。当冷流体流量增加一倍时，试求两流体的出口温度和传热量的变化情况。假设两种情况下总传热系数不变，换热器热损失可忽略。 4-12 试用因次分析法推导壁面和流体间自然对流传热系数α的准数方程式。已知α为下 列变量的函数： 4-13 一定流量的空气在蒸汽加热器中从20℃加热到80℃。空气在换热器的管内湍流流动。压强为180kPa的饱和蒸汽在管外冷凝。现因生产要求空气流量增加20％，而空气的进出口温度不变，试问应采取什么措施才能完成任务，并作出定量计算。假设管壁和污垢热阻可忽略。 4-14 常压下温度为120℃的甲烷以10m/s的平均速度在列管换热器的管间沿轴向流动，离开换热器时甲烷温度为30℃，换热器外壳内径为190mm，管束由37根ф19×2的钢管组成，试求甲烷对管壁的对流传热系数。
4-15 温度为90℃的甲苯以1500kg/h的流量流过直径为ф57×3.5mm、弯曲半径为0.6m的蛇管换热器而被冷却至30℃，试求甲苯对蛇管的对流传热系数。 4-16 流量为720kg/h的常压饱和蒸汽在直立的列管换热器的列管外冷凝。换热器的列管直径为ф25×2.5mm，长为2m。列管外壁面温度为94℃。试按冷凝要求估算列管的根数（假设列管内侧可满足要求）。换热器的热损失可以忽略。 4-17 实验测定列管换热器的总传热系数时，水在换热器的列管内作湍流流动，管外为饱和蒸汽冷凝。列管由直径为ф25×2.5mm的钢管组成。当水的流速为1m/s时，测得基于管外表面积的总传热系数为2115W/(m2.℃)；若其它条件不变，而水的速度变为1.5m/s时，测得系数为2660 W/(m2.℃)。试求蒸汽冷凝的传热系数。假设污垢热阻可忽略。 对流传热速率方程虽然形式简单，实际是将对流传热的复杂性和计算上的困难转移到对流传热系数之中，因此对流传热系数的计算成为解决对流传热的关键。 求算对流传热系数的方法有两种：即理论方法和实验方法。前者是通过对各类对流传热现象进行理论分析，建立描述对流传热现象的方程组，然后用数学分析的方法求解。由于过程的复杂性，目前对一些较为简单的对流传热现象可以用数学方法求解。后者是结合实验建立关联式，对于工程上遇到的对流传热问题仍依赖于实验方法。 一、影响对流传热系数的因素 由对流传热的机理分析可知，对流传热系数决定于热边界层内的温度梯度。而温度梯度或热边界层的厚度与流体的物性、温度、流动状况以及壁面几何状况等诸多因素有关。 1．流体的种类和相变化的情况 液体、气体和蒸汽的对流传热系数都不相同，牛顿型流体和非牛顿型流体也有区别。本书只限于讨论牛顿型流体的对流传热系数。 流体有无相变化，对传热有不同的影响，后面将分别予以讨论。 2．流体的特性
对流传热系数测定实验 一、实验目的 a)测定空气在传热管的对流传热系数，掌握空气在传热管的对流传热系数的测定方法。 b)把测得的实验数据整理成Nu=BRe n形式的准数方程式，并与教材中相应公式进行比较。 c)通过实验提高对准数方程式的理解，了解影响传热系数的因素和强化传热的途径。 二、实验装置 实验装置如图1所示，由蒸汽发生器、风机、套管换热器、流量调节阀及不锈钢进、出口管道、温度测量和流量测量装置等组成。 1. 风机 F1. 旁路阀 2. 孔板流量计 3. 空气压力变送器 4. 蒸汽放空口 5. 冷凝液排放口 6. 玻璃视镜 7. 套管换热器 F2. 空气流量调节阀 F3. 蒸汽流量调节阀 8. 加水装置F4. 进水阀 13. 蒸汽发生器 T. 蒸汽温度 t1、t2 . 空气进、出口温度 T w1、T w2. 空气出口和进口侧的管壁温度 图1 空气-水蒸气传热实验装置示意图 三、对流传热及参数测取 空气从漩涡风机吸入，经孔板流量计计量后进入套管换热器的管（紫铜管），与来自蒸汽发生器的饱和水蒸汽在套管换热器进行换热。被空气冷凝下来的冷凝水经冷凝液排放口排入蒸汽发生器的加水装置。进入套管换热器的空气进、出口温度t1、t2分别由铜—康铜热电偶测出。换热管两端管壁温度T w1、T w2同样也分别由埋在管（紫铜管）外壁上的铜—康铜热电偶测出。蒸汽温度T由蒸汽发生器根据管路的实际状况实现自动控制，T由热电阻PT100测得。空气流量通过F2、F2的组合调节来改变或通过变频器改变，由孔板流量计测量，并通过压力变送器测出空气的压力。套管换热器管（紫铜管）的规格为：φ20×2 mm，换热管
固体小球对流传热系数的测定 A 实验目的 工程上经常遇到凭藉流体宏观运动将热量传给壁面或者由壁面将热量传给流体的过程，此过程通称为对流传热（或对流给热)。显然流体的物性以及流体的流动状态还有周围的环境都会影响对流传热。了解与测定各种环境下的对流传热系数具有重要的实际意义。 通过本实验可达到下列目的： (1) 测定不同环境与小钢球之间的对流传热系数，并对所得结果进行比较。 (2) 了解非定常态导热的特点以及毕奥准数（Bi ）的物理意义。 (3) 熟悉流化床和固定床的操作特点。 B 实验原理 自然界和工程上，热量传递的机理有传导、对流和辐射。传热时可能有几种机理同时存在，也可能以某种机理为主，不同的机理对应不同的传热方式或规律。 当物体中有温差存在时，热量将由高温处向低温处传递，物质的导热性主要是分子传递现象的表现。 通过对导热的研究，傅立叶提出： dy dT A Q q y y λ-== (1) 式中： dy dT - y 方向上的温度梯度[]m K / 上式称为傅立叶定律，表明导热通量与温度梯度成正比。负号表明，导热方向与温度梯度的方向相反。 金属的导热系数比非金属大得多，大致在50～415[]K m W ?/范围。纯金属的导热系数随温度升高而减小，合金却相反，但纯金属的导热系数通常高于由其所组成的合金。本实验中，小球材料的选取对实验结果有重要影响。 热对流是流体相对于固体表面作宏观运动时，引起的微团尺度上的热量传递过程。事实上，它必然伴随有流体微团间以及与固体壁面间的接触导热，因而是微观分子热传导和宏观微团热对流两者的综合过程。具有宏观尺度上的运动是热对流的实质。流动状态（层流和湍
浙江大学化学实验报告 课程名称：过程工程原理实验甲实验名称：对流传热系数的测定指导教师： 专业班级： 姓名： 学号： 同组学生： 实验日期： 实验地点：
目录 一、实验目的和要求 (2) 二、实验流程与装置 (2) 三、实验内容和原理 (4) 1.间壁式传热基本原理 (4) 2.空气流量的测定 (6) 3.空气在传热管内对流传热系数的测定 (6) 3.1牛顿冷却定律法 (6) 3.2近似法 (7) 3.3简易Wilson图解法 (8) 4.拟合实验准数方程式 (8) 5.传热准数经验式 (9) 四、操作方法与实验步骤 (10) 五、实验数据处理 (11) 1.原始数据： (11) 2.数据处理 (11) 六、实验结果 (14) 七、实验思考 (15)
一、实验目的和要求 二、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 三、因素和强化传热的途径； 四、2）把测得的数据整理成形 式的准数方程，并与教材中公认 五、经验式进行比较； 六、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。 七、实验流程与装置 八、本实验流程图（横管）如下图1所示， 实验装置由蒸汽发生器、孔板流量计、变频器、套管换热器（强化管和普通管）及温度传感器、只能显示仪表等构成。 九、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，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内管，热交换后从风机出口排出。 十、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择，三者必学统一。 十一、 十二、 十三、 十四、
自然对流换热实验报告 一、实验目的 （1）了解空气沿水平圆柱体表面自然流动是的换热过程，掌握实验测试技术。 （2）测定单管（水平放置）的自然对流换热系数h 。 （3）根据实验测得的有关数据，计算各实验管的Nu 数、Gr 数和Pr 数，然后用作图法或最小二乘法确定经验方程式n Gr c Nr Pr)(=中的c 值和n 值，并给出 Pr Gr 的范围。 二、实验原理 对铜管进行加热，热量是以对流和辐射两种方式来散发，所以对流换热量为总流量与辐射热量之差。即 r h c Φ-Φ=Φ （W ） 式中：)(f w c t t hA -=Φ；UI h =Φ；??? ???????? ??-??? ??=Φ4f 4w 0100T 100T A c r ε，所以 ? ?????????? ??-??? ??---=4 f 4w 0100T 100T )()(f w f w t t c t t A UI h ε[]）（K /W ?m 式中：c Φ为对流换热量，W ；h Φ为加热器产生的热量，W ；r Φ为辐射换热量，W;U 加热器电压，V ；I 为加热器电流，A ；ε为圆柱体表面黑度，ε=0.064；0c 为黑体辐射系数，） （420K m /W 67.5?=c ；w t 为管壁平均温度，℃；f t 为玻璃室内空气温度，℃；A 为圆柱体的表面积，m 2；h 为自然对流换热系数，）（K /W 2?m 。 当实验管表面温度稳定时，测定每根管的加热电压U 、电流I 、管壁温度w t 、玻璃室内温度f t ，从表中查出圆管的直径和长度，计算出圆管表面积A ，计算出其对流换热系数h 。 根据相似理论，自然对流换热的准则为 Pr),(Gr f Nr = 在工业中广泛使用的是比式更为简单的经验方程式，即 n Gr c Nr Pr)(= 式中：c 、n 是通过实验所确定的常数（在一定的Pr Gr 数值范围内）。为
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。
自然对流强化换热 班级：14040203 姓名：吴端 学号：2011040402121
1.概述 当前，对于自然对流换热问题的研究没有强迫对流研究那样开展得广泛。一方面是由于自然对流强化效果没有强迫对流换热强化效果好；另一方面是由于自然对流强化的途径少难度大，所以自然对流的研究进展缓慢。但自然对流应用有自己的领域，强迫对流又有其制约因素，尤其是随着电子集成电路的发展，自然对流强化换热的问题越来越受到学者的关注。 利用振动强化单相流体对流换热的方法可分为两种：一种是使换热面振动以强化换热；另一种是使流体脉动或振动以强化换热。研究表明，不管是换热面振动还是流体振动，对单相流体的自然对流和强制对流换热都是有强化作用的。振动可以增大流体间的扰动，干扰附面层的形成和发展，从而减小换热热阻，达到强化换热的目的。 2.原理 利用振动可以强化传热早已为人们所认识，在1923年就有关于在静止流体中振动换热面以增强传热效果的相关研究。早期研究的主要手段为传热实验，随着数值计算方法及计算机技术的发展，自80年代人们开始对振动对流换热问题进行数值分析。研究结果表明，换热面在流体中振动时，根据振动系统的不同，自然对流换热系数可提高30%~2000%。。传热实验中，采用的振动源形式主要有以下几种： 1)机械振动或电动机驱动偏心装置产生，早期的实验均采用该方法； 2)流体绕流诱导传热元件产生，如在换热器中的管束： 3)超声波激励换热元件产生。下面分别就这三个方面分别展开综述，其中，A表示振幅，厂表示振动频率，D表示管直径，U表示来流速度，尺P表示雷诺数，h表示表面传热系数。 机械振动为传热实验中最为常用的振动源，一般情况下，机械振动装置结构简单，并且能够比较方便调节振幅、频率等参数，这对于深入研究振动参数对传热的影响具有不可替代的作用。 表1．2、1．3分别为自然对流、强制对流条件下振动传热研究概况，表中
实验三 对流传热实验 一、实验目的 1.掌握套管对流传热系数i α的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解，应用线性回归法，确定关联式4.0Pr Re m A Nu =中常数A 、m 的值； 2.掌握对流传热系数i α随雷诺准数的变化规律； 3．掌握列管传热系数Ko 的测定方法。 二、实验原理 ㈠ 套管换热器传热系数及其准数关联式的测定 ⒈ 对流传热系数i α的测定 在该传热实验中，冷水走内管，热水走外管。 对流传热系数i α可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定 i i i S t Q ??= α （1） 式中：i α—管内流体对流传热系数，W/(m 2?℃)； Q i —管内传热速率，W ； S i —管内换热面积，m 2； t ?—内壁面与流体间的温差，℃。 t ?由下式确定： 2 2 1t t T t w +- =? （2） 式中：t 1，t 2 —冷流体的入口、出口温度，℃； T w —壁面平均温度，℃； 因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用t w 来表示。 管内换热面积： i i i L d S π= （3） 式中：d i —内管管内径，m ； L i —传热管测量段的实际长度，m 。
由热量衡算式： )(12t t Cp W Q m m i -= （4） 其中质量流量由下式求得： 3600 m m m V W ρ= （5） 式中：m V —冷流体在套管内的平均体积流量，m 3 / h ； m Cp —冷流体的定压比热，kJ / (kg ·℃)； m ρ—冷流体的密度，kg /m 3。 m Cp 和m ρ可根据定性温度t m 查得，2 2 1t t t m +=为冷流体进出口平均温度。t 1，t 2， T w ， m V 可采取一定的测量手段得到。 ⒉ 对流传热系数准数关联式的实验确定 流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为 n m A Nu Pr Re =. （6） 其中： i i i d Nu λα= ， m m i m d u μρ=Re ， m m m Cp λμ=Pr 物性数据m λ、m Cp 、m ρ、m μ可根据定性温度t m 查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pr 变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为： 4.0Pr Re m A Nu = （7） 这样通过实验确定不同流量下的Re 与Nu ，然后用线性回归方法确定A 和m 的值。 ㈡ 列管换热器传热系数的测定 管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，
化工原理实验（四）空气－蒸汽对流给热系 数测定 一、实验目的 1、 了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。 2、 掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。 3、 学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途 径。 二、基本原理 在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热 量交 换，称为间壁式换热。如图(4－1)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。 达到传热稳定时，有 ()() ()()m m W M W p p t KA t t A T T A t t c m T T c m Q ?=-=-=-=-=221112222111αα （4－1） T t 图4－1间壁式传热过程示意图
式中：Q － 传热量，J / s ； m 1 － 热流体的质量流率，kg / s ； c p 1 － 热流体的比热，J / (kg ?℃)； T 1 － 热流体的进口温度，℃； T 2 － 热流体的出口温度，℃； m 2 － 冷流体的质量流率，kg / s ； c p 2 － 冷流体的比热，J / (kg ?℃)； t 1 － 冷流体的进口温度，℃； t 2 － 冷流体的出口温度，℃； α1 － 热流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m 2 ?℃)； A 1 － 热流体侧的对流传热面积，m 2； ()m W T T -－ 热流体与固体壁面的对数平均温差，℃； α2 － 冷流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m 2 ?℃)； A 2 － 冷流体侧的对流传热面积，m 2； ()m W t t - － 固体壁面与冷流体的对数平均温差，℃； K － 以传热面积A 为基准的总给热系数，W / (m 2 ?℃)； m t ?－ 冷热流体的对数平均温差，℃； 热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（4—2）计算， ()()() 2 211 2211ln W W W W m W T T T T T T T T T T -----= - （4 －2） 式中：T W 1 － 热流体进口处热流体侧的壁面温度，℃； T W 2 － 热流体出口处热流体侧的壁面温度，℃。 固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式（4—3）计算， ()()() 2 21 12211ln t t t t t t t t t t W W W W m W -----= - （4 －3） 式中：t W 1 － 冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，℃； t W 2 － 冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，℃。
实验三对流传热实验 一、实验目的 1.掌握套管对流传热系数％的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解, 应用线性回归法，确定关联式M/ = ARe m Pr04中常数M、刃的值； 2.掌握对流传热系数如随雷诺准数的变化规律； 3.掌握列管传热系数Ko的测定方法。 二、实验原理 ㈠套管换热器传热系数及其准数关联式的测定 1.对流传热系数％的测定 在该传热实验中，冷水走内管，热水走外管。 对流传热系数匕可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定 O a, = —(1) \t x S] B 式中：4?—管內流体对流传热系数，￥7(*?°C)； Q—管内传热速率，W； S：—管内换热面积，m‘； AT —内壁面与流体间的温差,J AT由下式确定：△『=几一口1 (2) M 2 式中：鱼一冷流体的入口、出口温度，°C; 人一壁面平均温度，°C； 因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、 外壁温度和壁面平均温度近似相等，用匚来表示。
管内换热面积：Sj二加，厶式中：d?一内管管内径，m；
厶一传热管测量段的实际长度，叽 由热量衡算式： Q 二WQ” - G 其中质量流量由下式求得： w = (5) 3600 式中：匕一冷流体在套管內的平均体积流量，m3 / h； Cp,”一冷流体的定压比热，kJ / (kg?°C)； 九一冷流体的密度，kg /m'o C/h和几，可根据定性温度&查得，口=上仝为冷流体进出口平均温度。 2 乩±2,兀，匕可采取一定的测量手段得到。 2.对流传热系数准数关联式的实验确定 流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为 Nu= A Re"' Pr" . (6) 其中：Nu =空Z , Re = "M*加, Pi = A “"儿" 物性数据九、c%、门”、可根据定性温度乙查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pr变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为： Nu = A Re'" Pr04(7)这样通过实验确定不同流量下的Re与然后用线性回归方法确定力和刃的值。㈡列管换热器传热系数的测定 管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。 这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料(主要
广州大学学生实验报告 开课学院及实验室： 年 月 日 学院 化学化工 年级 专业 化学112 姓名 韦高威 学号 1105100053 实验课程名称 化工基础实验 成绩 实验项目名称 对流传热系数测定实验 指导老师 一、 实验目的 二、 实验原理 三、 使用仪器与材料 四、 实验步骤 五、 实验数据记录与处理 六、 实验结果及分析 一、实验目的 1、了解套管换热器的结构和壁温的测量方法 2、了解影响给热系数的因素和强化传热的途径 3、体会计算机采集与控制软件对提高实验效率的作用 4、学会给热系数的实验测定和数据处理方法 二、实验内容 1、测定空气在圆管内作强制湍流时的给热系数α1 2、测定加入静态混合器后空气的强制湍流给热系数α1’ 3、回归α1和α1’联式4 .0Pr Re ??=a A Nu 中的参数A 、a 4、测定两个条件下铜管内空气的能量损失 二、实验原理 间壁式传热过程是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三个传热过程所组成。由于过程复杂，影响因素多，机理不清楚，所以采用量纲分析法来确定给热系数。 1）寻找影响因素 物性：ρ，μ ，λ，cp 设备特征尺寸：l 操作：u ，βgΔT 则：α=f （ρ，μ，λ，cp ，l ，u ，βgΔT ） 2）量纲分析 ρ[ML-3]，μ[ML-1 T-1]，λ[ML T -3 Q-1]，cp [L2 T-2 Q-1]，l[L] ，u[LT-1]， βgΔT [L T -2]， α[MT-3 Q-1]] 3）选基本变量（独立，含M ，L ，T ，Q-热力学温度） ρ，l ，μ, λ 4）无量纲化非基本变量 α：Nu ＝αl/λ u: Re ＝ρlu/μ cp: Pr ＝cp μ/λ βgΔT : Gr ＝βgΔT l3ρ2/μ2 5）原函数无量纲化 ???? ???=223,,μρβλμμρλαtl g c lu F l p 6）实验 Nu ＝ARea Prb Grc 强制对流圆管内表面加热：Nu ＝ARe a Pr 0.4 圆管传热基本方程： m t A K t T t T t T t T A K Q ???=-----?=111 22112211 1ln ) ()( 热量衡算方程： )()(12322111t t c q T T c q Q p m p m -=-= 圆管传热牛顿冷却定律： 2 2112211 22211221121 1ln ) ()(ln )()(w w w w w w w w T T T T T T T T A t t t t t t t t A Q -----?=-----?=αα 圆筒壁传导热流量：)]/()ln[)()()/ln(11221122121 2w w w w w w w w t T t T t T t T A A A A Q -----?-?=δλ 空气流量由孔板流量测量：54 .02.26P q v ??= [m 3h -1，kPa] 空气的定性温度：t=(t 1+t 2)/2 [℃] 三、实验流程 1、蒸汽发生器 2、蒸汽管 3、补水漏斗 4、补水阀 5、排水阀 6、套管换热器 7、放气阀 8、冷凝水回流管 9、空气流量调节阀 10、压力传感器 11、孔板流量计 12、空气管 13、风机 图1、传热实验流程 套管换热器内管为φ27×3.5mm 黄铜管,长1.25m,走冷空气，外管为耐高温玻璃管，壳程走100℃的热蒸汽。进、出口温度由铂电阻（Pt100）测量，使用时测温点位于管道中心。壁温1、壁温2由热电偶测量，测温点通过锡焊嵌入管壁中心，测量值为壁中心温度。蒸汽发生器加热功率为1.5kW ，变频器为西门子420型，风机为XGB 型旋涡气泵，最大静风压17kPa ，最大流量100 m3/h 。此外，还用到了北京化工大学化工原理实验室开发的数据采集与控制软件。 四、实验操作 1、检查蒸汽发生器中的水位，约占液位计高度4/5左右，如不够需加水； 2、按下总电源、加热器、风机绿色按钮，开仪表开关，等待20分钟套管间充满水蒸汽； 3、约到15分钟时，观察壁温1、壁温2的变化以及水蒸汽的滴状冷凝情况； 4、当有蒸汽和不凝性气体从套管间排出时，全开流量调节阀，用鼠标点击上图中绿色按钮启动风机预热设备 5分钟； 5、通过计算机间隔3～4Hz 调节频率10→50→10Hz ，每个点稳定约1.5分钟记录数据，注意随时查看结果，
实验8 空气横掠单管强迫对流换热系数测定实验 一、实验目的 1. 测算空气横掠单管时的平均换热系数h 。 2. 测算空气横掠单管时的实验准则方程式13 Re Pr n Nu C =??。 3. 学习对流换热实验的测量方法。 二、实验原理 1对流换热的定义 对流换热是指在温差存在时，流动的流体与固体壁面之间的热量传递过程。 2、牛顿冷却公式 根据牛顿冷却公式可以测算出平均换热系数h 。 即：h= )(f W t t A Q -Q A t =?? w/m 2·K （8-1） 式中： Q — 空气横掠单管时总的换热量， W ； A — 空气横掠单管时单管的表面积，m 2 ; w t — 空气横掠单管时单管壁温 ℃； f t — 空气横掠单管时来流空气温度 ℃； t ?— 壁面温度与来流空气温度平均温差，℃； 3、影响h 的因素 1）.对流的方式： 对流的方式有两种； （1）自然对流 （2）强迫对流 2）.流动的情况： 流动方式有两种；一种为雷诺数Re<2200的层流，另一种为Re>10000的紊流。
Re — 雷诺数， Re v ud = ， 雷诺数Re 的物理定义是在流体运动中惯性力对黏滞力比值的无量纲数。 上述公式中，d —外管径（m ），u —流体在实验测试段中的流速（m/s ），v —流体的运动粘度（㎡/s ）。 3）.物体的物理性质： Pr — 普朗特数，Pr= α ν = cpμ/k 其中α为热扩散率, v 为运动粘度, μ为动力粘度；cp 为等压比热容；k 为热导率； 普朗特数的定义是：运动粘度与导温系数之比 4).换面的形状和位置 5).流体集体的改变 相变换热 ：凝结与沸腾 4、对流换热方程的一般表达方式 强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动 强迫对流公式为(Re,Pr)Nu f = 自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动。 自然对流公式为Nu=f （Gr ，Pr ） 1）.Re=v ul = 雷诺数Re 的定义是在流体运动中惯性力对黏滞力比值的无量纲数Re=UL/ν 。其中U 为速度特征尺度，L 为长度特征尺度，ν为运动学黏性系数。 2).Pr= α ν 定义：流体运动学黏性系数γ与导温系数κ比值的无量纲数 3).Nu=λ hd （努谢尔数） 4).Gr= 2 3 ν t gad ? 式中a 为流体膨胀系数，v 为流体可运动系数。 格拉晓夫数 ，自然对流浮力和粘性力之比 ，控制长度和自然对流边界层厚度之比 。 5、对流换热的机理 热边界层 热边界层的定义是：黏性流体流动在壁面附近形成的以热焓(或温度)剧变为 特征的流体薄层 热边界层内存在较大的温度梯度，主流区温度梯度为零。
一．实验课程名称 化工原理 二．实验项目名称 空气－蒸汽对流给热系数测定 三、实验目的和要求 1、了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。 2、掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。 3、学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。 四．实验内容和原理 实验内容：测定不同空气流量下进出口端的相关温度，计算?，关联出相关系数。 实验原理：在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，称为间壁式换热。如图(4－1)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。 达到传热稳定时，有 ()()()()m m W M W p p t KA t t A T T A t t c m T T c m Q ?=-=-=-=-=221112222111αα （4－1） 热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（4—2）计算， ()()() 2 211 2211ln W W W W m W T T T T T T T T T T -----= - （4－2） 式中：T W 1 －热流体进口处热流体侧的壁面温度，℃；T W 2 －热流体出口处热流体侧的壁面温度，℃。 固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式（4—3）计算，
()()() 2 21 12211ln t t t t t t t t t t W W W W m W -----= - （4－3） 式中：t W 1 － 冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，℃；t W 2 － 冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，℃。 热、冷流体间的对数平均温差可由式（4—4）计算， ()() 1 221 1221m t T t T ln t T t T t -----= ? （4－4） 当在套管式间壁换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以冷空气或水进行对流传热系数测定实验时，则由式（4－1）得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数， ()()M W p t t A t t c m --= 212222α （4－5） 实验中测定紫铜管的壁温t w1、t w2；冷空气或水的进出口温度t 1、t 2；实验用紫铜管的长度l 、内径d 2，l d A 22π=；和冷流体的质量流量，即可计算?2。 然而，直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度，实验技术难度大，而且所测得的数据准确性差，带来较大的实验误差。因此，通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流给热系数就成为人们广泛采用的一种实验研究手段。 由式（4－1）得， ()m p t A t t c m K ?-= 1222 （4－6） 实验测定2m 、2121T T t t 、、、、并查取()212 1 t t t += 平均下冷流体对应的2p c 、换热面积
实验三 对流传热实验 一、实验目的 1.掌握套管对流传热系数i α的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解，应用线性回归法，确定关联式4.0Pr Re m A Nu =中常数A 、m 的值； 2.掌握对流传热系数i α随雷诺准数的变化规律； 3．掌握列管传热系数Ko 的测定方法。 二、实验原理 ㈠ 套管换热器传热系数及其准数关联式的测定 ⒈ 对流传热系数i α的测定 在该传热实验中，冷水走内管，热水走外管。 对流传热系数i α可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定 i i i S t Q ??= α （1） * 式中：i α—管内流体对流传热系数，W/(m 2?℃)； Q i —管内传热速率，W ； S i —管内换热面积，m 2； t ?—内壁面与流体间的温差，℃。 t ?由下式确定： 2 2 1t t T t w +- =? （2） 式中：t 1，t 2 —冷流体的入口、出口温度，℃； T w —壁面平均温度，℃； 因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用t w 来表示。 管内换热面积： i i i L d S π= （3） 式中：d i —内管管内径，m ；
L i —传热管测量段的实际长度，m 。 、 由热量衡算式： )(12t t Cp W Q m m i -= （4） 其中质量流量由下式求得： 3600 m m m V W ρ= （5） 式中：m V —冷流体在套管内的平均体积流量，m 3 / h ； m Cp —冷流体的定压比热，kJ / (kg ·℃)； m ρ—冷流体的密度，kg /m 3。 m Cp 和m ρ可根据定性温度t m 查得，2 2 1t t t m += 为冷流体进出口平均温度。t 1，t 2， T w ， m V 可采取一定的测量手段得到。 ⒉ 对流传热系数准数关联式的实验确定 流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为 n m A Nu Pr Re =. （6） ~ 其中： i i i d Nu λα= ， m m i m d u μρ=Re ， m m m Cp λμ=Pr 物性数据m λ、m Cp 、m ρ、m μ可根据定性温度t m 查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pr 变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为： 4.0Pr Re m A Nu = （7） 这样通过实验确定不同流量下的Re 与Nu ，然后用线性回归方法确定A 和m 的值。 ㈡ 列管换热器传热系数的测定 管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要