浙江科技学院
实验报告
课程名称：化工原理学院：生物与化学工程学院专业班：化工专升本111班
姓名：许弘
学号：3110422012
同组人员：周梦娜、张峰、张益凯实验时间：2012年 3 月 5 日指导教师：诸爱士
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α，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
2112211ln
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，
δ
T
T W t W
t
图4－1间壁式传热过程示意图
()()()
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，
()()
12211221
m 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α2。
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A ，即可由上式计算得总给热系数K 。
1． 近似法求算对流给热系数2α
以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为，
1
121212221
1d d d d R d bd R K S m S αλα++++= （4－7） 式中：d 1 － 换热管外径，m ； d 2 － 换热管内径，m ；
d m － 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，W / (m ? ℃)；1S R － 换热管外侧的污垢热阻，W K m ?2
；
2S R － 换热管内侧的污垢热阻，W K m ?2。
用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流给热系数约为几十到几百K m W .2
；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数1α可达~K m W .102
4
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
21
d d R
S 也可忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数为383.8K m W ?，壁厚为2.5mm ，因此换热管壁的导热热阻m
d bd λ2可忽略。若换热管内侧的污垢热阻2S R 也
忽略不计，则由式（4－7）得， K ≈2α （4－8） 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，此法所得的准确性就越高。
2． 冷流体质量流量的测定
用孔板流量计测冷流体的流量，则，2m V ρ= (4－9) 式中，V 为冷流体进口处流量计读数，ρ为冷流体进口温度下对应的密度。
3． 冷流体物性与温度的关系式
在0～100℃之间，冷流体的物性与温度的关系有如下拟合公式。 （1）空气的密度与温度的关系式：52310 4.510 1.2916t t ρ--=-?+ （2）空气的比热与温度的关系式：60℃以下p C ＝1005 J / (kg ?℃),
70℃以上p C ＝1009 J / (kg ?℃)。 （3）空气的导热系数与温度的关系式： 8252108100.0244t t λ--=-?+?+ （4）空气的黏度与温度的关系式：6235(210510 1.716910t t μ---=-?+?+?）
五、主要仪器设备
1．实验装置 实验装置如图4-1所示
图4-1 空气-水蒸气换热流程图
来自蒸汽发生器的水蒸气进入不锈钢套管换热器环隙，与来自风机的空气在套管换热器内进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。冷空气经孔板流量计或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φ21×2.5mm ，长度L=1000mm ；（2）外套不锈钢管规格：直径φ100×5mm ，长度L=1000mm ；（4）铂热电阻及无纸记录仪温度显示；（5）全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表。
六、操作方法与实验步骤
（一）实验步骤
1、打开控制面板上的总电源开关，打开仪表电源开关，使仪表通电预热，观察仪表显示是否正
常。
2、在蒸汽发生器中灌装清水至水箱的球体中部，开启发生器电源，使水处于加热状态。到达符
合条件的蒸汽压力后，系统会自动处于保温状态。
3、打开控制面板上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体进口阀，让套管换热器里充
有一定量的空气。
4、打开冷凝水出口阀，排出上次实验余留的冷凝水，在整个实验过程中也保持一定开度。注意
开度适中，开度太大会使换热器中的蒸汽跑掉，开度太小会使换热不锈钢管里的蒸汽压力过
大而导致不锈钢管炸裂。
5、在通水蒸汽前，也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。具体排除冷凝水的方法是：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，方可进行下一步实验。
6、开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽阀的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐充满系统中，
使系统由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，防止不锈钢管换热器因突然受热、受
压而爆裂。同时，打开顶端放气阀，将设备内的空气排出，至排气管有蒸汽放出，关闭排气
阀。
7、上述准备工作结束，系统也处于“热态”后，调节蒸汽进口阀，使蒸汽进口压力维持在
0. 03MPa，可通过调节蒸汽发生器出口阀及蒸汽进口阀开度来实现。
8、自动调节冷空气进口流量时，可通过仪表调节风机转速频率来改变冷流体的流量到一定值，
在每个流量条件下，均须待热交换过程稳定后方可记录实验数值，一般每个流量下至少应使
热交换过程保持5分钟方为视为稳定；改变流量，记录不同流量下的实验数值。
9、记录6组实验数据，结束实验。先关闭蒸汽发生器，关闭蒸汽进口阀，关闭仪表电源，待系
统逐渐冷却后关闭风机电源，待冷凝水流尽，关闭冷凝水出口阀，关闭总电源。
10、打开实验软件，输入实验数据，进行后续处理。
七、实验数据记录与处理
1、 实验原始数据记录表
计算示例（以次序1数据作为计算示例）： 次 序 项 目
1
2
3
4
5
6
水蒸气压强MPa 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03
空气进口温度t 1°C 28.6 30.2 29.3 27.1 25.4 24.8
空气出口温度t 2°C 73.0 75.5 75.2 76.1 77.7 79.3
空气进口处蒸汽温度T 1°C 106.1 106.3 106.2 106.1 106.3 106.2
空气出口处蒸汽温度T 2°C 106.4 106.2 106.3 106.3 106.2 105.9
空气流量 V m 3/h
20.0 17.0 14.1 11.0 8.2 5.2
空气进口处密度 ρkg/m 3
1.1711 1.1648 1.1683 1.1770 1.1838 1.1862
空气质量流量 m s2 kg/s 0.0065 0.0055 0.0046 0.0036 0.0027 0.0017
空气流速 u m/s 27.6451 23.4983 19.4898 15.2048 11.3345 7.1877
① 空气进口处密度：
52352331110 4.510 1.29161028.6 4.51028.6 1.2916 1.1712/t t kg m ρ----=-?+=?-??+=
② 空气质量流量：220.0 1.1712
0.0065/3600
s m V kg s ρ?=?==
③ 空气流速：22
4420.0
27.6451/3600 3.140.016V u m s d π?===??
2、给热系数K 的计算
次 序
项 目
1
2
3
4
5
6
空气定性温度t 平均°C 50.80 52.85 52.25 51.60 51.55 52.05
定性温度下的空气密度
'
ρ kg/m 3
1.0888 1.0817 1.0838 1.0860 1.0862 1.0845
冷、热流体间的对数平均温
差m t ?°C
52.3047 50.0433 50.5596 50.6810 50.2614 49.1139
总给热系数 K w/(m 2
·°C)
110.5653 99.6828 83.1679 69.6110 56.1696 38.0623
① 空气定性温度：()1211
(28.673.0)50.80C 60C 22
t t t =
+=+=?
ρ：
'523523310 4.510 1.29161050.80 4.51050.80 1.2916 1.0888/t t kg m ρ----=-?+=?-??+=平均平均
④ 冷、热流体间的对数平均温差：
()()122112
21
(106.473.0)(106.128.6)52.3926106.473.0ln
ln 106.128.6
m T t T t t T t T t ------?=
==----
⑤ 传热面积：2
220502.01016.014.3m l d A =??==π ⑥ 对流传热系数：()22210.00651005(73.028.6)
110.37970.050252.3926
s p m
m c t t K A t -??-=
=
=?? w/(m 2·°C)
3、近似法求给热系数2α
2α=K=103.1096w/(m 2·°C)
4、2α理论值的计算
次序
项 目
1
2 3 4 5 6
对流给热系数 2α w/(m 2
·°C)
110.5653 99.6828 83.1679 69.6110 56.1696 38.0623 空气黏度 μ （5
10?Pa ·s) 1.8583 1.8661 1.8617 1.8509 1.8426 1.8397 空气导热系数 λ W/(m ·K ）
0.0267 0.0268 0.0267 0.0266 0.0264 0.0264 雷诺数Re 25917 21794 18154 14274 10690 6779 普兰特数 Pr 0.7002 0.6998 0.7000 0.7005 0.7009 0.7011 努赛尔数Nu 66.3268 59.5171 49.7884 41.9449 34.0176 23.0928 努赛尔数理论值Nu' 67.7146 58.9381 50.9268 42.0284 33.3579 23.1732 理论2α' W/(m 2
·°C)
112.8787 98.7130 85.0694 69.7496 55.0803 38.1947 2α各点的相对误差
0.0204 0.0098 0.0224 0.0020 0.0198 0.0035 ()
0.4Nu/Pr ln
4.3371 4.2290 4.0504 3.8787 3.6690 3.2816 ()Re ln
10.1627
9.9894
9.8066
9.5662
9.2771
8.8216
① 空气粘度：623511(210510 1.7169)10t t μ---=-?+?+?
6
2
3
5
5(21028.651028.6 1.7169)10 1.858310Pa s ----=-??+??+?=??
② 空气导热系数：
825825112108100.024421028.681028.60.02440.0267t t λ----=-?+?+=-??+??+= ③ 雷诺数：5
'
0.01627.6451 1.0888
Re 259161.858310du ρμ
-??=
=
=?
④ 普兰特数：51005 1.858310Pr 0.70020.0267
p C μ
λ-??=== ⑤ 努赛尔数：2110.37970.016
66.21550.0267
d Nu αλ?=
== ⑥ 对于流体在圆形只管内做湍流时的对流传热系数
若符合以下条件：4
5Re 1.010
1.210=??，Pr 0.7120=，管长与管内径之
60l
d
≥,则n Nu Pr Re 023.08.0=
本实验中，
162.5600.016
l d ==≥,而Re ，Pr 也基本在这个范围内，n=0.4。所以可以用上述公式计算Nu 的理论值n Nu Pr Re 023.0'8
.0==0.80.40.023259170.700267.7146??=
⑦ 理论'2α：22'67.71460.0267
'112.8787/()0.016
Nu W m C d λα?===?? ⑧ 相对误差：
222'112.8787110.3797100%100% 2.21%'112.8787
ααα--?=?= ⑨ 0.4
0.4ln(/Pr
)ln(66.2155/0.7002) 4.3355Nu ==
⑩ ln(Re)ln(25916)10.1627==
八、 实验结果与分析
1、 冷流体给热系数的实验计算值与理论值（800230.0.4Re .Nu/Pr =）列表比较，计算各点误差，并分析
讨论
次序
项 目
1
2 3 4 5 6
努赛尔数Nu 66.3268 59.5171 49.7884 41.9449 34.0176 23.0928 努赛尔数理论值Nu' 67.7146 58.9381 50.9268 42.0284 33.3579 23.1732 对流给热系数 2α w/(m 2
·°C)
110.5653 99.6828 83.1679 69.6110 56.1696 38.0623 理论2α' W/(m 2
·°C)
112.8787 98.7130 85.0694 69.7496 55.0803 38.1947 2α各点的相对误差
0.0204
0.0098
0.0224
0.0020
0.0198
0.0035
误差分析：
① 由于是接着上一组做实验，没有等待仪器冷却，导致实验数据存在误差，前几组数据温度过高。 ② 迪图斯-贝尔特公式（n Nu Pr Re
023.08
.0=）的条件是54102.1100.1Re ?-?=，而实验数据
有一个没有在此范围之内。所以用此公式算出的Nu'和2α' 存在误差。 ③ 实验过程中，流量存在波动时，没有取平局值，导致实验误差过大
2、冷流体给热系数的准数式：m 0.4Re A Nu/Pr =，以()
0.4Nu/Pr ln 为纵坐标，()Re ln 为横坐标，将实验数据的结果标绘在图上，由实验数据作图拟合曲线方程，确定式中常数A 及m ；并与教材中的经验式800230.0.4Re .Nu/Pr =比较。
冷流体给热系数的准数式：m Y Re Nu/Pr
0.4
=
由图表得拟合曲线方程：y=0.7423x-3.1905 则m=0.7423
ln() 3.1905A =- 3.19050.0412A e -==
与教材中的经验式800230.0.4Re .Nu/Pr =比较误差较大，n Nu Pr Re
023.08
.0=有条件范围，而实验
数据并未全在此范围之内。 如果采用齐德——泰特公式以及其他修正，误差应该会减小。
九、讨论、心得
1、 思考题
① 实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响?
答：无影响。因为Q=m t A ?α，无论冷流体和蒸汽是顺流还是逆流流动，由于蒸汽温度不变，所
以m t ? 不变，而A 和α不受冷流体和蒸汽流向的影响，所以效果不变。
② 在计算空气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？它们分别表示什么位置的密度，应在什么条件下进行计算？
答：计算空气质量流量时用到的密度值和求雷诺数时的密度值不一样，前者密度为空气入口处温
度下的密度，而后者为空气定性温度的密度。
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α关联式有何影响？
答：（1）、冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了热阻，降低了传热速率。 （2）、在外管最低处设置排水口，及时排走冷凝水。
（3）、在不同压强下测试得到的数据，将会对α产生影响，因为PV=nRT ，P 与V 是变量，P
变化后T 也随之变化，T 改变后，蒸汽进口处的温度就会改变，△tm 也会改变。
2、 实验心得
这是我做的第一次化工原理实验，刚去做实验的时候，我并不是很明白这次实验的仪器使用方法以及如何通过实验验证实验的理论知识。后来上课时经过老师的详细讲解和实验操作的流程示范，是我本来不明白的地方豁然开朗。在经过自己的亲手操作和仔细计算得出了结论并成功的完成了实验。这个实验室我们掌握了给热系数测定的实验方法并学会了给热系数测定的实验数据处理方法。可能是因为我们直接用上一组同学做的仪器，让流量从低往高调，温度没有降下来，等待的5分钟时流量在跳动，不怎么稳定，所以我们的实验数据有误差。测数据时，我们要调好后等数据稳定后等待5分钟才能记下仪显示的数据。下次我们会更认真的完成实验步骤，记录好实验数据。我们会好好珍惜做化工原理实验的机会，好好锻炼自己的动手能力。
空气－蒸汽给热系数测定装置 实验指导书
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） 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 ； δ T T W t W t 图4－1间壁式传热过程示意图
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，℃。 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）
. . .. . . 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
浙江科技学院 实验报告 课程名称：化工原理 实验名称：空气—蒸汽对流给热系数测定学院：生物与化学工程学院 专业班：材料科学与工程111 姓名：AAA 学号：1110450003 同组人员：AAA AAA 实验时间: 2014年5月9日 指导教师：
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α，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 （1） 热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（2）计算， ()()() 2 211221 1ln W W W W m W T T T T T T T T T T -----=- （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（3）计算， ()()() 2 21 12211ln t t t t t t t t t t W W W W m W -----=- （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）计算， ()()1221 1221 m t T t T ln t T t T t -----=? （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 （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， T t 图4－1间壁式传热过程示意图
《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；
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、
空气水蒸气对流给热系数测定实验报告 公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]
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，
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
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
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 对流给热系数的测定 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、测定空气（或水）在圆直管内强制对流给热系数i α； 3、应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARe m Pr 0.4中常数A 、m 的值。 4、掌握热电阻测温的方法。 二、基本原理 在套管换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以空气或水，水蒸气冷凝放热以加热空气或水，在传热过程达到稳定后，有如下关系式： V ρC P (t 2－t 1)＝αi A i (t w －t)m （1-1） 式中： V ——被加热流体体积流量，m3/s ； Ρ——被加热流体密度，kg/m3； C P ——被加热流体平均比热，J/(kg ·℃)； αi ——流体对内管内壁的对流给热系数，W/(m2·℃)； t 1、t 2——被加热流体进、出口温度，℃； A i ——内管的外壁、内壁的传热面积，m2； (T －T W )m ——水蒸气与外壁间的对数平均温度差，℃； 2 2112211ln )()()(w w w w m T T T T T T T T Tw T -----= - （1-2） (t w －t)m ——内壁与流体间的对数平均温度差，℃； 2 211 2211ln )()()(t t t t t t t t t t w w w w m w -----= - （1-3） 式中：T 1、T 2——蒸汽进、出口温度，℃； T w1、T w2、t w1、t w2——外壁和内壁上进、出口温度，℃。 当内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度很薄时，可认为T w1＝t w1，T w2＝t w2，即为所测得的该点的壁温。 由式（1-3）可得： m w P i t t A t t C V )() (012--= ρα （1-4） 若能测得被加热流体的V 、t 1、t 2，内管的换热面积A i ，以及水蒸气温度T ，壁温T w1、T w2，则可通过式（1-4）算得实测的流体在管内的（平均）对流给热系数αi 。 流体在直管内强制对流时的给热系数，可按下列半经验公式求得： 湍流时： 4.08.0Pr Re 023 .0i i d λ α= （1-5） 式中：αi —— 流体在直管内强制对流时的给热系数，W/ (m 2·℃)； λ—— 流体的导热系数，W/(m 2·℃)； d i —— 内管内径，m ； Re —— 流体在管内的雷诺数，无因次； Pr —— 流体的普朗特数，无因次。 上式中，定性温度均为流体的平均温度，即t f = (t 1 + t 2) / 2。 过渡流时： αi ’＝φαi （1-6）
空气—蒸汽对流给热系数测定 一、实验目的 ⒈通过对空气—水蒸气光滑套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数α1的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。并应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARe m Pr0.4中常数A、m的值。 ⒉通过对管程内部插有螺纹管的空气—水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式Nu=BRe m中常数B、m的值和强化比Nu/Nu0，了解强化传热的基本理论和基本方式。 二、实验装置 本实验设备由两组黄铜管（其中一组为光滑管，另一组为波纹管）组成平行的两组套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器。管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，其冷凝放出热量通过黄铜管壁被传递到管内流动的空气，达到逆流换热的效果。饱和蒸汽由配套的电加热蒸汽发生器产生。该实验流程图如图1所示，其主要参数见表1。 表1 实验装置结构参数
图1 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图 1— 光滑套管换热器；2—螺纹管的强化套管换热器；3—蒸汽发生器；4—旋涡气泵； 5—旁路调节阀；6—孔板流量计；7、8、9—空气支路控制阀；10、11—蒸汽支路控制阀； 12、13—蒸汽放空口； 15—放水口；14—液位计；16—加水口； 孔板流量计测量空气流量 空气压力 蒸汽压力 空气入口温度 蒸汽温度 空气出口温度
三、实验内容 1、光滑管 ①测定6～8个不同流速下光滑管换热器的对流传热系数α1。 ②对 α1的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=ARe m 中常数A 、m 的值。 2、波纹管 ①测定6～8个不同流速下波纹管换热器的对流传热系数α1。 ②对 α1的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=BRe m 中常数B 、m 的值。 四、实验原理 1．准数关联 影响对流传热的因素很多，根据因次分析得到的对流传热的准数关联为： Nu=CRe m Pr n Gr l （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作强制对流时的对流传热系数。因此，可以忽略自然对流对传热膜系数的影响，则Gr 为常数。在温度变化不太大的情况下，Pr 可视为常数。所以，准数关联式（1）可写成 Nu ＝CRe m （2） Re 4 du V d ρ ρ π μ μ == 其中： , 500.02826W/(m.K)d Nu αλλ = =℃时，空气的导热系数
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：
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。
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