对流传热系数的测定
北京理工大学化学学院董女青1120102745
一、实验目的
1、掌握对流传热系数的测定方法，测定空气在圆形直管内的强制对流传热系数, 验证准数关联式。
2、了解套管换热器的结构及操作，掌握强化传热的途径。
3、学习热电偶测量温度的方法。
二.实验原理
冷热流体在间壁两侧换热时，传热基本方程及热衡算方程为：
Q = KAAtm = m^Cp (t入一t出)
换热器的总传热系数可表示为：
1 1 b 1
—------- 1 ---- 1 ----
K a ：入a 0 式中：Q—换热量，J/s
K—总传热系数，J/(m' s)
A—换热面积，m：
At m-平均温度差，°C
Cp—比热，J/ (kg ? K)
nu—质量流量，kg/s
b—换热器壁厚，m
a i、a o—内、外流体对流传热系数，J/(m? ? s)
依据牛顿冷却定律，管外蒸汽冷凝，管内空气被加热，换热最亦可表示为：
Q = a jAj(t w - t) = a 0A0 (T — T w)
式中:t w.凡一管内(冷侧)、管外(热侧)壁温，
t、T-管内(冷侧)、管外(热侧)流体温度
测定空气流量、进出口温度、套管换热面积，并测定蒸汽侧套管壁温，由于管壁导热系数较大且管壁较薄，管内壁温与外壁温近似柑等，根据上述数据即可得到管内对流传热系数，由丁?换热器总传热系数近似等丁?关内对流传热系数，所以亦可得到套管换热器的总传热系数。
流体在圆形直管强制对流时满足下述准数关联式：
Nu = O.O237?e°-8Pr0-33
式中：Nu-努塞尔特准数，Nu=^,无因次
Re—雷诺准数，Re = ^,无因次
P L普兰特准数，Pr =耳,无因次
测定不冋流速条件下的对流传热系数，在双对数坐标屮标绘加he关系得到一条直线，直线斜率应为0. &
三、实验内容
1、测定不同空气流星下空气和水蒸汽在套管换热器换热时内管空气的对流传热系数，推算总传热系数。
2、在双对数坐标中标绘M L R決糸,验证准数关联式。
四、实验装置与流程
1、实验装置流程图
图3-3传热实验装置流程示意图
1 一蒸汽发生器2—水位指示管3—风机4一风量调节阀5—孔板6—U型管
7—空气进口温度计8—空气出口温度计9一热电偶测量系统
10—冷凝回水管11 —外管12—内管
2、流程简介
如图3-3所示，鼓风机将空气送入换热器内管，风量由阀门4进行调节，并采用孔板流量计5计星流量，进出换热器的温度分别由进出口的温度计7、8读出蒸汽发生器1将产生的蒸汽送入套管，套管壁温采用热电偶温度测量系统进行测量。
五、实验方法及步骤
1、向电加热釜加水至接近液位计上端红线。
2、向保温瓶屮加入适量的冰水，并将冷端补偿热电偶插入其屮。
3、将空气流量旁路调节阀4全开，电压调节电位器旋至最小值（逆时针方向）。
4、检査数字电床表的测量讯号线是否接好，接通电源，至少预热5分钟。
5、顺时针方向缓慢旋转电压调节电位器，使电压表的示值为180V,待水沸腾，水蒸气进入玻璃套管。
6、加热约10分钟后，启动鼓风机，待空气入口温度稳定后开始测试。
7、调节空气流量旁路阀的开度，使压差计的读数为所需的空气流量值(注意旁路阀全开时，空气流量为最小值，全关时为最大值)。
8、待玻璃套管中充满蒸汽并有适量冷凝液时算起，约5分钟后可读取数值。
9、重复步骤7、8,分别取10个以上空气流量值(应包括最大和最小流量值)。
10、测试结束后，将加热电压调节电位器旋至最左端(逆时针方向)，使电斥表、电流表的示值为零；约5分钟后关闭鼓风机，并将旁路阀全开，切断总电源，停止实验。
六、实验注意事项
1、实验过程中，蒸汽发生器中的水位不能低于液位计下端的红线，否则螺旋形电热管将被烧坏；液位亦不能过高，否则会使水溢入套管。
2、启动风机时，空气流量旁路阀不能关上，否则会把U型床差计中的液体冲出。附：实验装置流量与温度校正数据
空气流量公式：V = 2.472R°-472m3/h，斤单位为mm .
蒸汽侧壁温与测温热电偶电势关系：T=(22. 2E-0. 6),疋单位为mv
空气进出口温度校正：At= [(t2-t1)+2.5]
注：实验装置上所给数据与教材中所给数据略有不同，以实验装置上所给的数据为准计算。
实验装置流量与温度校正数据
空气流量公式：V = 2.352R°?⑹uF/h,水单位为mm?
蒸汽侧壁温与测温热电偶电势关系：T=(22. 2E-0. 6),
位为mv 空气进出口温度校正：At =[(12-1!)+ 1.5]
七、实验数据处理
实验数据记录
序号 A R(cm) t进t出热电偶电势E (°C) (°C) (mV)
1 1. 1 35.0 76.5 4. 34
2 2.2 37.0 76. 0 4. 37
3 3.2 39. 1 76. 0 4. 38
4 4.2 40.0 76.0 4. 38
5 5. 1 41. 1 76.0 4. 39
6 6. 1 42.0 76. 0 4. 38
*7 7. 1 42. 0 76. 0 4. 39
8 8.0 43.0 76.0 4. 39
9 9. 1 44.0 76.0 4. 40
10 10. 0 44.5 76. 0 4. 40
11 11. 0 44.5 75.0 4. 40
12 12.0 45.3 76.0 4. 40
13 13.0 45.8 76.0 4. 40
14 20. 0 47.5 76. 0 4. 40
15 28. 0 49. 0 76. 5 4. 10
换热器内管尺寸：
内径：^=17. 3mm 外径：cl=22mm
测量段管长度：1二1150mm 故内侧管面积为：
A =77 dj=3. 14X0. 0173X1. 15=0. O625nf
2、传热系数的计算以第一组数据为例进行计算，如下：当t吒=35.0"C, t l(i = 76.5°C时，平均温度为t半=55. 75°C；查附录六可知(内插法计算)，在55.75°C下，空气的物性为：密度p =1. 0732kg/m3,定压热容为Cp=l? 017kJ/(kg ? °C), 导热系数入=2.866 X 10"2W/(m- °C)，黏度|J = 1.985 X 10"5Pa s; 故冇
At = [(t出一t进)+ 1.5] = 43°C
空气流量V = 2.352R0481 = 2.352 X II0481 = 7.453m3/h 空气质最流最n】s = p V = 1.0732 X 7.453 = 7.9986kg/h 蒸汽侧壁温度Tv = (22.2E 一0.6) = 22.2 X 4.34 一0.6 = 95.748°C 由方程组
Q = njCp (t入一t出)
Q = a iAi(t w -t)
可得
a iAj (t w — t) = ni s Cp (t 入—t 出)
乂由于管壁导热系数较大且管壁较薄，管内壁温与外壁温近似相等，即 t w =Tw=95. 748*C 故得
m s C p At
7.9986 X 1017 X 43 7
=
A t (t w - t) = 3600 X 0.0625 x (95.748 - 55.75) = 38 867iy /(ra * K)
由于换热器总传热系数近似等于关内对流传热系数，所以亦可得到套管换热 器的总传热系数
K=a t =38. 867W/轻 K) 各组计算数据如下表：
①用内插法计算得到的物性参数:
序 号 A R
(cm)
MC) t M°C)
t f .( °C)
P Cp
p X105 入 X102
(kg ? m s
)
kJ/(kg-°C) (Pa ? s )
1 1.1 35.0 76.5 55. 75 1. 073
2 1. 017 1. 9888 2. 866
3 2 2. 2 37.0 76.0 56. 50 1. 0716 1. 017 1. 9925 2. 8715 3 3.2 39. 1 76.0 57. 55 1. 0681 1.017 1. 9978 2. 8789
4 4.2 40.0 76.0 58. 00 1. 0666 1.017 2. 0000 2. 8820
5 5. 1 41. 1 76. 0 58. 55 1. 0648 1. 017 2. 0028 2. 8859
6 6. 1 42.0 76. 0 59. 00 1. 0633 1. 01
7 2. 0050 2. 8890 r 1 7. 1 42.0 76.0 59. 00 1. 0633 1.017 2. 0050 2. 8890
8 8.0 43.0 76.0 59. 50 1. 0617 1.017 2. 0075 2. 8925
9 9. 1 44.0 76. 0 60. 00 1. 0600 1. 017 2. 0100 2. 8960 10 10. 0 44.5 76. 0 60. 25 1. 0592 1. 017 2. 0113 2. 8978 11 11. 0 44.5 75.0 59. 75 1. 0608 1. 017 2. 0088 2. 8943 12 12.0 45.3 76. 0 60. 65 1. 0580 1.017 2. 0133 2. 9006 13 13. 0 45.8 76.0 60. 90 1. 0572 1. 017 2. 0145 2. 9023 14 20.0 47.5 76.0 61.75 1. 0546 1.017 2. 0188 2. 9083 15
28.0
49.0 76.5
62. 75
1. 0515
1. 017
2. 0238
2. 9153
②其他各组数据计算结果如下表：(见下一页)
Nu-Re 关系的求算 空
气在管内的流速为
4V
4X 7.453
=顾=3.14 X 0.01732 X 3600 = Q8118m /S
雷诺准数
IgRe = 3.9152
dup
0.0173 X 8.8118 X 1.0732
1.98875 X 10"5
=8226.4262
IgNu = 1.3703
Cpy 1.017 X IO 3 X 1.98875 X IO"5 .
Pr = ^-= ------------- ——~—3 ------------------ = 0.7056 A 2.86625 X 10"^
同理可得其他各组数据如下表： 序 号 A R
t (cm) a (°C) t lh ('C) E (mV) t 平(°C) p xio p (kg ? m) 入xio
V(m/h)
1
1.1 35.0 76.5 4. 34 55. 75 1. 9888 1.0732
2. 8663 7. 4533 2 2. 2 37.0 76. 0 4. 37 56. 50 1. 9925 1.0716 2. 8715 10. 4026 3
3.2 39. 1 76.0
4. 38 57. 55 1. 9978 1. 0681 2. 8789 12. 4570 4 4.2 40.0 76.0 4. 38 58. 00 2. 0000 1. 0666 2. 8820 14. 1978 5
5. 1 41. 1 7
6.0 4. 39 58. 55 2. 0028 1. 0648 2. 8859 15. 5876 6 6. 1 42.0 76.0 4. 38 59. 00 2. 0050 1. 0633 2. 8890 16. 9895 ?
7. 1 42.0 76.0 4. 39 59. 00 2. 0050 1.0633 2. 8890 1
8. 2765 8 8.0 43.0 76.0 4. 39 5
9. 50 2. 0075 1.0617 2. 8925 19. 3564 9 9. 1 44.0 76.0 4. 40 60. 00 2. 0100 1. 0600 2. 8960 20. 5938 10 10. 0 44.5 76.0 4. 40 60. 25 2. 0113 1. 0592 2. 8978 21. 5495 11 11. 0 44. 5 75.0 4. 40 59. 75 2. 0088 1. 0608 2. 8943 22. 5604 12 12.0 45.3 76.0 4. 40 60. 65 2. 0133 1.0580 2. 9006 23. 5247 13 13. 0 45.8 76.0 4. 40 60. 90 2. 0145 1. 0572 2. 9023 24. 4480 14 20. 0 47.5 76. 0 4. 40 61.75 2. 0188 1. 0546 2. 9083 30. 0769 15
28.0
49.0
76.5
4. 10 62. 75 2. 0238 1.0515 2. 9153 3
5. 3607 续表
序号 u (m/s) Re
lgRe a i J/ (m ? s) Nu IgNu
Pr
lgPr 1 8. 8122 8226. 80 3. 9152 38. 8685 23. 4601 1. 3703 0. 7056 -0. 1514 2 12. 2992 11442. 94 4. 0585 51. 1237 30. 8006 1. 4886 0. 7057 -0. 1514 3 14. 7282 13622. 79 4. 1343 59. 0845 35. 5059 1. 5503 0. 7057 -0.1514 4 16. 7864 15487. 25 4. 1900 66. 4355 39. 8797 1. 6008 0. 7058 -0.1513 5 18. 4296 16951 .27 4. 2292 71.2849 42. 7336 1. 6308 0. 7058 -0. 1513 6
20. 0871 18429. 09 4. 2655 77. 0193 46. 1209 1. 6639 0. 7058 -0.1513
21. 6087 19825. 14 4. 2972 82. 3679 49. 3238 1. 6931 0. 7058 -0.1513 8 22. 8855 20938. 84 4. 3210 85. 7828 51. 3066 1.7102 0. 7058 -0.1513 9 24. 3485 22214. 06 4. 3466 89. 1427 53. 2517 1. 7263 0. 7059 -0. 1513 10 25. 4784 23212. 98 4. 3657 92. 4413 55. 1888 1.7419 0. 7059 -0.1513 11 26. 6736 24368. 91 4. 3868 92. 7280 55. 4269 1. 7437 0. 7058 -0.1513 12 27. 8138 25286. 80 4. 4029 99. 4363 59. 3076 1.7731 0. 7059 -0.1513 13 28. 9054 26243. 34 4.4190 102. 3608 61. 0151 1.7854 0. 7059 -0. 1513 14 35. 5606 32137. 33 4. 5070 121.7381 72.4171 1. 8598 0. 7059 -0.1512 15
41. 8077
37579. 85
4. 5750
176. 1398
104. 5268
2. 0192 0. 7060
-0.1512
Nu =
a t d
38.8685 X 0.0173
2.86625 X 10-2
=23.46
作IgNu-lgRe曲线
曲线方程
IgNu = 0.82071gRe 一1.8406
斜率：0. 8207 （与理论截跖接近。）截距：-1.8406
八、实验结果分析与讨论
1、求斜率和截距的误差：
理论上
Nu = O.O23Re°-8Pr033
两边取对数，得
IgNu = lg0.023 + 0.81gRe + 0.331gPr 计算可得Pr的平均值为0. 7058
故可得理论关系式为
IgNu = 0.81gRe - 16882 即理论斜率为0. 8,理论截距-1. 6882. 由拟合出的直线可得Nu和Re的线性关系式为：
IgNu = 0.82071gRe 一1.8406
故，斜率的相对标准误差为:
°8 x 100% = 2.59%
截距的相对标准误差为:
1.8406 一1.6882 1.6882
X 100% = 9.027%
2、求Nu = kRe08Pr033中系数k的误差
将上式两边取对数，变形整理得：
lgk + 0.81gRe + 0.331gPr = IgNu
带入各半均值的数据：lgRe=4. 2742 lgPr=-0. 1513 lgNu=l. 6670 计算得
k=0. 0198
所以系数k的相对标准误差为
0.023 一0.0198
————X 100% = 13.91%
实验得到流体在圆形直管强制对流时满足的准数关系式为：
Nil = O.O198Re°-8Pr033
3、实验误差分析
由以上结果可以看出，实验的误差较大，尤其是k值偏差很大。原因可能有：
①流量计两端液而经常处于浮动状态，造成读数困难，这是误差的主雯來源，虽取
均值已达到减小误差的目的，但影响还是很大。
②温度计的读数因空气流星的微笑变化可能会变化较慢，有可能在未稳定前就读数
了。
九、思考题
1、本实验要想提高K值应当增加哪一个管内的流体流量？
答：应增加内管内空气的流量。因为内管内流体为空气，空气的给热系数a i远远小
于水蒸气的给热系数，1/a i造成传热的主要热阻，故要提高K值应增大a i, 一定条件
下，其他因素变化较小，增大内管空气流量可使k值增大。
2、铜管内壁的温度与哪-种流体的温度相接近？
答：由于管壁导热系数较大且管壁较薄，管内壁温与外壁温，即蒸汽侧的温度近似相等。
3、本实验中若套管间隙中有不凝性气体存在，对传热有什么影响？
答：纯饱和蒸汽与低于饱和温度的壁而接触时，蒸汽放出潜热并冷凝成液体，若冷凝
液润湿壁面并向下流动，则形成膜状冷凝：若有不冷凝性气体，冷凝液不能润湿壁
而，结成小水滴，从壁面落下流出冷凝面，成滴状冷凝，滴状冷凝的给热系数大。有
利于传热。
4、实验中所测的壁温接近蒸汽侧温度还是空气侧温度？答：接近蒸汽侧温度。
5、热过程的稳定性受哪些因素的影响？
答：①流体（冷热流体）本身的性质，如流体的黏度，粒度，均匀度等;
②操作参数，如流体的流速，流型，引起对流的原因，实验温度等。
③传热面的情况，如传热面的形状，粗糙度等；
. . .. . . 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。
传热系数K 和给热系数α的测定 一. 实验目的 1. 了解间壁式传热元件的研究和给热系数测定的实验组织方法； 2. 掌握借助于热电偶测量壁温的方法； 3. 学会给热系数测定的试验数据处理方法； 4. 了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。 二. 基本原理 １．传热系数K 的理论研究 在工业生产和科学研究中经常采用间壁式换热装置 来达到物料的冷却和加热。这种传热过程系冷、热流 体通过固体壁面进行热量交换。它是由热流体对固体 壁面的 对流给热，固体壁面的热传导和固体对冷流体的对 流给热三个传热过程所组成。如图1所示。 由传热速率方程知，单位时间所传递的热量 Q=()t T KA - （1） 而对流给热所传递的热量，对于冷、热流体均可由牛顿冷却定律表示 Q=()1w h h t T A -α （2） 或 Q=()t t A w c c -2α （3） 对固体壁面由热传导所传递的热量，则由傅立叶定律表示为 Q ()21w w m t t A -?=δ λ （4） 由热量平衡和忽略热损失，可将（2）、（3）、（4）式写成如下等式 Q=KA t T A t t A t t A t T c c w m w w h h w 1 112211-=-=-=-αλδα （5）所以 c c m h h A A A K αλδα111 ++= （6） ()22222111111,,,,,,,,,,,,u c u c d f K p p λμρδλλμρ=＝()5,2,6f （7） 图1传热过程示意图
从上式可知，除固体的导热系数和壁厚对传热过程的传热性能有影响外，影响传热过程的参数还有12个，这不利于对传热过程作整体研究。根据因次分析方法和π定理，热量传递范畴基本因次有四个：[L],[M],[T],[t] ,壁面的导热热阻与对流给热热阻相比可以忽略 K ≈()21,ααf （8） 要研究上式的因果关系，尚有π=13-4=9个无因次数群，即由正交网络法每个水平变化10次，实验工作量将有108次实验，为了解决如此无法想象的实验工作量，过程分解和过程合成法由此诞生。该方法的基本处理过程是将(7)式研究的对象分解成两个子过程如(8)式所示，分别对21,αα进行研究，之后再将21,αα合并，总体分析对K 的影响，这有利于了解影响传热系数的因素和强化传热的途径。 当1α＞＞2α时，2α≈K ，反之当1α＜＜2α时，1α≈K 。欲提高K 设法强化给热系数小的一侧α，由于设备结构和流体已定，从(9)式可知，只要温度变化不大，1α只随1u 而变， ()1111111,,,,,λμραp c u d f = (9) 改变1u 的简单方法是改变阀门的开度，这就是实验研究的操作变量。同时它提示了欲提高K 只要强化α小的那侧流体的u 。而流体u 的提高有两种方法： （１）增加流体的流量； （２）在流体通道中设置绕流内构件，导致强化给热系数。 由(9)式，π定理告诉我们，π=７－４＝３个无因次数群，即： ()1111111,,,,,λμραp c u d f = ? ???? ??=λμμ ρλαp c du f d , (10) 经无因次处理，得： c b o a Nu Pr Re = (11) 如果温度对流体特性影响不大的系统，并且温度变化范围不大，则式(11)可改写为：b a Nu Re = 式中：c o a a Pr =。 ２．传热系数K 和α的实验测定
《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：
实验1综合传热系数的测定实验 一、实验目的 1．了解间壁式传热元件的结构。 2．了解观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象，并判断冷凝类型。 3．通过对内管是光滑管的空气—水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握空气在圆形光滑直管中强制对流传热系数的测定的实验方法，加深对其概念和影响因素的理解。确定关联式Nu=Are m Pr0.4中常数A、m的值。 4．掌握传热系数测定的实验数据处理方法。 5．掌握孔板流量计的使用。 6．掌握DC-3A微音气泵的使用。 二、实验内容及基本原理 （一）实验内容 1．观察水蒸气在换热管外壁上的冷凝现象，并判断冷凝类型。 2．测定不同流速下简单套管换热器的对流传热系数α。 3．对实验数据通过Excel进行处理，求关联式Nu=A·Re m Pr0.4中常数A、m的值；并绘制曲线。 4．实验原始记录 光滑管记录： 5．实验数据处理与分析 数据处理 光滑管：实验结果列表和作图：
（二）实验原理 1．准数方程 空气在圆形直管中作湍流流动的给热准数方程： ），，，d l Gr f Nu Pr (Re 1= （1-1） 式中 l —为管长，m ； d —为管径，m ； 强制对流时，G r 可忽略；对气体而言，原子数相同（如单原子、双原子…）的气体Pr 为一常数，当50>d l 其影响亦可忽略，故上式可写为： (Re)f N u = （1-2） 一般可写成 m u A N Re = （1-3） 其中A 为常数，λ αd Nu = ， μρdu =Re 。 2．准数方程中各参数的测定和计算 （1）α值的计算：空气传热膜系数α可以通过测定总传热系数（K ）进行测取。K 与α有下列关系： 2 1 11αλδα+ +=s K （1-4） 因管壁很薄，可将圆壁看成平壁。 这里因是空气，故不计污垢热阻，上式中s λδ为黄铜管壁热传导的热阻，壁厚0.001米， 黄铜导热系数λs =377(W/m·k)， 故δ/λs =2.7×10-6 ；1/α2为蒸气冷凝膜的热阻，α2=2×104 ，故 1/α2=5×10-5，空气传热膜系数α在100上下，热阻1/α=1×10-2 ，对比之下，上述两项热阻均可忽略，即K ≈α。 其测定方法可用牛顿冷却定律进行： m t S K Q ???= （1-5） ()进出t t c V Q p s -ρ= （1-6） m p s t S t t c V K ??= ≈) -(进出ρα （1-7） 式中：V s —空气体积流量，m 3/s （由流量计测取） ρ—流经流量计处的空气密度，kg/m 3；
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
聊城大学实验报告 课题名称：化工原理实验 实验名称：总传热系数的测定 姓名：元险成绩： 学号：1989 班级： 实验日期：2011-9-18 实验内容：测定套管换热器中水—水物系在常用流速范围内的总传热系数K，分析强化传热效果的途径。
总传热系数的测定 一、实验目的 1.了解换热器的结构，掌握换热器的操作方法。 2.掌握换热器总传热系数K 的测定方法。 3.了解流体的流量和流向不同对总传热系数的影响 二、基本原理 在工业生产中，要完成加热或冷却任务，一般是通过换热器来实现的，即换热器必须在单位时间内完成传送一定的热量以满足工艺要求。换热器性能指标之一是传热系数K 。通过对这一指标的实际测定，可对换热器操作、选用、及改进提供依据。 传热系数K 值的测定可根据热量恒算式及传热速率方程式联立求解。 传热速率方程式： Q =kS ?t m （1） 通过换热器所传递的热量可由热量恒算式计算，即 Q =W h C ph （T 1－T 2）=W c C pc （t 2－t 1）＋Q 损 （2） 若实验设备保温良好，Q 损可忽略不计，所以 Q =W h C ph （T 1－T 2）=W c C pc （t 2－t 1） （3） 式中，Q 为单位时间的传热量，W ；K 为总传热系数，W/(m 2·℃)；?t m 为传热对数平均温度差，℃；S 为传热面积（这里基于外表面积），m 2；W h ,W c 为热、冷流体的质量流量，kg/s ；C ph ,C pc 为热、冷流体的平均定压比热，J/(kg ·℃)；T 1,T 2为热流体的进出口温度，℃；t 1,t 2为冷流体的进出口温度，℃。 ?tm 为换热器两端温度差的对数平均值，即 12 1 2ln t t t t t m ???-?=? （4） 当212≤??t t 时，可以用算术平均温度差(2 12t t ?+?)代替对数平均温度差。由上式所计算出口的传热系数K 为测量值K 测。 传热系数的计算值K 计可用下式进行计算： ∑+++=S i R K λδαα11 10计 （5） 式中，α0为换热器管外侧流体对流传热系数，W/(m 2·℃)；αi 为换热器管内侧流体对流传热系数，W/(m 2·℃)；δ为管壁厚度，m ；λ——管壁的导热系数，W/(m 2·℃)；R S 为污垢热阻，m 2·℃/W 。 当管壁和垢层的热阻可以忽略不计时，上式可简化成：
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
化 工 实 验 报 告 姓名： 学号： 报告成绩： 课程名称 化工原理实验 实验名称 换热器传热系数的测定实验 班级名称 组 长 同组者 指导教师 实验日期 教师对报告的校正意见 一、 实验目的 1、了解传气—汽对流热的基本理论，掌握套管换热器的操作方法。 2、掌握对流传热系数 α i 测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。 3、应用线性回归分析方法，确定关联式 4 .0Pr Re i m A Nu = 中常数 A 、m 的值。 4、了解强化换热的基本方式，确定传热强化比 0/Nu Nu 。 二、 实验内容与要求 1、测定不同空气流速下普通套管换热器的对流传热系数 α i 。 2、不同空气流速下强化套管换热器的对流传热系数 α i 。 3、分别求普通管、强化管换热器准数关联式4 .0Pr Re i m A Nu =中常数 A 、m 的值。 4、根据准数关联式4 .0Pr Re i m A Nu =,计算同一流量下的传热强化比 0/Nu Nu 。 5、分别求取普通套管换热器、强化套管换热器的总传热系数 0K 。 三、 实验原理 1 、对流传热系数i α的测定： i m i i S t Q ?= α （5-1） 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 ； 3600 t C V Q m p m i ????= ρ （5-2） 式中：V —空气流过测量段上平均体积，m 3/h ； m P —测量段上空气的平均密度，kg/m ； i S —管内传热面积， m ； 1 页
Re Pr 4 .0-Nu m Cp —测量段上空气的平均比热，J/（kg.g ）； m t ?—管内流体空气与管内壁面的平均温度差，℃。 ()() 2 121m ln t t T t T t T t T S S w w -----= ? （5-3） 当 2>1t ? / 2t ? >0.5 时，可简化为 2 2 1t t T t W m +- =? （5-4） 式中：1t ，2t —冷流体（空气）的入口、出口温度，℃； Tw — 壁面平均温度，℃。 2、对流传热系数准数关联式的实验确定： 流体在管内作强制对流时，处于被加热状态，准数关联式的形式为： n i m i A Nu Pr Re = （5-5） 其中，传热准数：i i i i d Nu λ α= （5-6） 雷诺准数： i i i i i u d μ ρ= Re （5-7） 其中：u-测量段上空气的平均流速：3600?= F V u （5-8） 普朗特准数： i i pi i c λ μ= Pr （5-9） 对于管内被加热的空气，普朗特准数i Pr 变化不大，可认为是常数，关联式简化为： 4.0Pr Re i m i A Nu i = （5-10） 通过实验确定不同流量下的i Re 与i Nu 。 3、关联式4 .0Pr Re i m i A Nu i =中的常数A ，m 的确定： 以 4 .0Pr Nu 纵坐标，Re 为横坐标，在对数坐标上绘 关系，作图、回归得到准数关联式4 .0Pr Re i m i A Nu i =中的常数A ，m 。 同理得到强化管准数关联式4 .0Pr Re i m i A Nu i =中的常数A ，m 。 4、强化比的确定 2 页
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，
实验二：总传热系数的测定 一、实验目的 1、了解换热器的结构与用途; 2、学习换热器的操作方法； 3、掌握传热系数k计算方法； 4、测定所给换热器的逆流传热系数k。 二、实验原理 在工业生产过程中冷热流体通过固体壁面（传热元件）进行热量传递，称为间壁式换热。间壁式换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三部分组成。本实验热流体采用饱和蒸汽走壳程，冷流体为空气走管程。 当传热达到稳定时，总传热速率与冷流体的传热速率相等时， 而即为， 综上可得，其中。 T --- 热流体; t --- 冷流体; V --- 冷流体进口处流量计读数; ---冷流体平均温度下的对应的定压比热容; ρ --- 冷流体进出口平均温度下对应的密度. 三、实验设备及流程 1、实验设备
传热单元实验装置(换热器、风机、蒸汽发生器) ，整套实验装置的核心是一个套管式换热器，它的外管是一根不锈钢管，内管是一根紫铜管。根据紫铜管形状的不同，我们的实验装置配有两组换热器，一种是普通传热管换热器，另一种是强化传热管换热器，本实验以普通传热管换热器为例，介绍总传热系数的测定。 2、实验流程 来自蒸汽发生器的水蒸气从换热器的右侧进入换热器的不锈钢管。而来自风机的冷空气从换热器的左侧进入换热器的紫铜管，冷热流体通过紫铜管的壁面进行传热。冷空气温度升高而水蒸汽温度降低，不凝气体和冷凝水通过疏水阀排出系统，而冷空气通过风机的右侧排出装置。 四、实验步骤 需测量水蒸气进口温度，出口温度，冷空气进口温度，出口温度，冷空气的体积流量以及紫铜管的长度及管径。前四项通过仪表读数可获得，冷空气进口温度可以由另外一块仪表盘读数计算可获得。紫铜
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，℃。
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
总传热系数测定实验 一、实验目的 1． 观察水蒸气在换热管外壁上的冷凝现象，并判断冷凝类型； 2． 测定饱和水蒸气在圆形管外壁上的冷凝给热系数； 二、基本原理 在套管换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以空气，水蒸气冷凝放热以加热空气，在传热过程达到稳定后，有如下公式： V ρC P (t 2-t 1)=K A m t ? 其中： V ：空气体积流量，m 3/s A ：内管的外壁的传热面积，m 2 ρ：空气密度，kg/m 3 C P ：空气平均比热，J/(kg ℃) t 1、t 2：空气进、出口温度，℃ T 1、T 2：蒸汽进、出口温度，℃ m t ?：对数平均温差，℃ 1 2211221ln ) ()(t T t T t T t T t m -----= ? 若能测得被加热流体的V 、t 1、t 2，内管的换热面积A 以及水蒸气温度T 1、T 2，即可计算实测的水蒸气（平均）冷凝给热系数。 三、实验装置与流程 实验装置如下图
水蒸气～空气换热流程图 来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器，与来自风机的风进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。冷空气经孔板（转子）流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后排出装置外。 2．设备与仪表规格 （1）紫铜管规格：直径φ21×2.8mm，长度L=1000mm （2）外套玻璃管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm （3）压力表规格：0～0.1MPa 四、实验步骤与注意事项 1．打开总电源空气开关，打开仪表及巡检仪电源开关，给仪表上电。 2．打开仪表台上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体入口阀门，让套管换热器里冲有一定量的空气。 3．打开冷凝水出口阀，注意只开一定的开度，开的太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，关的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。 4．在做实验前，应将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排除，否则夹带冷凝水的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。关闭蒸汽进口阀门，打开装置下面的排冷凝水阀门，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽响时关闭冷凝水排除阀。 5．刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽进口阀门的开度，让蒸汽徐徐通入换热器中，
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
验一多态气固相流传热系数测定 实验目的 实验原理 自然界和工程上，热量传热的机理有传导、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。本实验将一直经为20mm温度为T0的小钢球，置于温度为恒定Tf的周围环境中，由于Tf不等于T0，小球必要受到加热或冷却而温度变为T，在传热过程中，小球的温度显然随时间而变化，这是一个非定态导热过程。在实验中所用钢球体积非常小，而导热系数又比较大，课可以认为钢球不存在温度梯度，整个球体内温度是均匀一致的，于是根据热平衡原理，球体热量随时间变化应等于通过对流换热向周围环境的散热速率。 通过实验可测得钢球在不同环境和流动状态下的冷却曲线，有温度记录仪记下T-t的关系，可计算得出a 和Nu的值。 对于气体在20 对流换热系数的确定 核心提示：1.自然对流时的对流换热系数炉墙、炉顶和架空炉底与车间空气间的对流换热均属自然对流换热。2.强制对流时的对流换热系数(1)气流沿 1.自然对流时的对流换热系数 炉墙、炉顶和架空炉底与车间空气间的对流换热均属自然对流换热。 2.强制对流时的对流换热系数 (1)气流沿平面强制流动时气流沿平面流动时，烧结炉其对流换热系数可按表1-1的近似公式计算。 表1-1对流换热系数计算 vo=C4.65(m/s) x；o>4.65(m/s) 光滑表面a=5.58+4.25z'o a^V.Slvg78 轧制表面a-=5.81+4.25vo a=7.53vin. 粗糙表面o=6.16+4.49vo a=T.94vi78 气流沿长形工件强制流动时当加热长形工件时，循环空气对工件表面的对流换热系数可用下述近似公式计算 气流在通道内层流流动时气流呈层流流动时，对流换热系数主要决定于炉气的热导率，而与炉气的流速无关。 绝对黑体的概念 当物体受热后一部分热能转变为辐射能并以电磁波的形式向外放射，其波长从lfmi到若干m。各种不同波长的射线具有不同性质，可见光和红外线能被物体吸收转化为热能，称它们为热射线。各种物体由于原子结构和表面状态的不同，其辐射和吸收热射线的能力有明显差别。 当能量为Q的一束热射线投射到物体表面时，也和可见光一样，一部分能量Qa将被吸收，一部分能量Qr被反射，还有一部分能量Qu透射过物体(如图1-5)。按能量守恒定律则有 图1-5辐射能的吸收、反射和透过 如果A=l，则R=D=0，即辐射能全部被吸收，这种物体称绝对黑体，简称黑体。 如果R=l，则A=D=0，即辐射能全部被反射，这种物体称绝对白体，简称白体。如果D= 1，则A=K=0，即辐射能全部被透过，这种物体称绝对透过体，简称透过体。 自然界中，黑体、白体和透过体是不存在的，它们都是假定的理想物体。对于一种实 际物体来说数值，不仅取决于物体的特性，还与表面状态、温度以及投射射线的波长等有关。为研究方便，人们用人工方法制成黑体模型。在温度均匀、不透过热射线的空心壁上开一小孔，此小孔即具有绝对黑体性质:所有进入小孔的辐射能，在多次反射过程中几乎全部被内壁吸收。小孔面积与空腔内壁面积之比越小，小孔越接近黑体。当它们的面积比小于0.6%，空腔内壁的吸收率为0.8时，则小孔的吸收率A大于0.998，非常接近黑体。 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 (3) 1.间壁式传热基本原理 (3) 2.空气流量的测定 (5) 3.空气在传热管内对流传热系数的测定 (5) 3.1牛顿冷却定律法 (5) 3.2近似法 (6) 3.3简易Wilson图解法 (6) 4.拟合实验准数方程式 (7) 5.传热准数经验式 (7) 四、操作方法与实验步骤 (8) 五、实验数据处理 (9) 1.原始数据： (9) 2.数据处理 (9) 六、实验结果 (12) 七、实验思考 (13) 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内管，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。 图1 横管对流传热系数测定实验装置流程图 图中符号说明如下表： 传热实验 一、实验目的 1、了解换热器的结结构及用途。 2、学习换热器的操作方法。 3、了解传热系数的测定方法。 4、测定所给换热器的传热系数K。 5、学习应用传热学的概念与原理去分析与强化传热过程,并实验之。 二、实验原理 根据传热方程Q=KA△tm,只要测得传热速率Q,冷热流体进出口温度与传热面积A,即可算出传热系数K。在该实验中,利用加热空气与自来水通过列管式换热器来测定K,只要测出空气的进出口温度、自来水进出口温度以及水与空气的流量即可。 在工作过程中,如不考虑热量损失,则加热空气释放出的热量Q1与自来水得到的热量Q2应相等,但实际上因热损失的存在,此两热量不等,实验中以Q2为准。 三、实验流程与设备 实验装置由列管换热器、风机、空气电加热器、管路、转子流量计、温度计等组成。空气走管程,水走壳程。列管式换热器的传热面积由管径、管数与管长进行计算。 实验流程图: 四、实验步骤及操作要领 1、熟悉设备流程,掌握各阀门、转子流量计与温度计的作用。 2、实验开始时,先开水路,再开气路,最后再开加热器。 3、控制所需的气体与水的流量。 4、待系统稳定后,记录水的流量、进出口温度,记录空气的流量与进出口温度,记录设备的有关参数。重复一次。 5、保持空气的流量不变,改变自来水的流量,重复第四步。 6、保持第4步水的流量,改变空气的流量,重复第四步。 7、实验结束后,关闭加热器、风机与自来水阀门。 五、实验数据记录与整理 1、设备参数与有关常数 换热流型错流 ; 换热面积 0、4㎡ 六、实验结果及讨论 1、求出换热器在不同操作条件下的传热系数。 计算数据如上表,以第一次记录数据序号1为例计算说明: 度 水的算数平均温度：水流量：空气流量：水气4.2029 .219.182/0222.03600 1000 1080/0044.03600 16 213=+=+==??=== -t t T s kg W s m V s J t t C W Q K kg J C p p /867.278)9.189.21(41830222.0)() /(418312=-??=-??=?=传热速率比热容：查表得，此温度下水的 K =-----=-----= ?2479.369.182.299 .21110ln 9.182.29)9.21110(ln )()(） （对数平均温度水进 气出水出气进水进气出水出气进逆T T T T T T T T t m 9333 .269 .189.212.291100329.09 .181109 .189.2112211112=--=--==--=--= t t T T R t T t t P K =?=??ψ=?∴=ψ??2479.362479.360.10 .1逆查图得校正系数m t m t t t ) /(1717.192 1101 .192333.19) /(2333.192479 .364.0867 .27822K m W K K K m W t S Q K m ?=+= ?=?=??= 的平均值：传热系数 2、对比不同操作条件下的传热系数,分析数值,您可得出什么结论？ 答:比较一、二、三组可知当空气流量不变,水的流量改变时,传热系数变化不大,比较四、五组可知空气流量改变而水的流量不改变时,传热系数有很大变化,且空气流量越大,传热系数越大,传热效果越好;综上可知,K 值总就是接近热阻大的对流换热系数的确定.doc
对流传热系数的测定实验报告
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