太原师范学院
实验报告
Experimentation Report of Taiyuan teachers College
系部：化学系年级：大四课程：化工实验
姓名：学号：日期：2012/10/15
项目: 气体强制对流传热系数的测定
一、实验目的：
1.熟悉传热设备；
2.了解传热原理和强化传热途径，分析热交换过程的影响因素；
3.测定热流体空气与冷流体水在并流和逆流条件下的总传热系数K；
4.测定努赛尔数Nu和雷诺数Re之间的关系，确定他们的关联式。
二、实验原理：
传热过程按其方式可分为热导传热、对流传热和辐射传热三种。在工业生产上的传热过程中，按冷流体和热流体的接触方式可分为直接接触式、间壁式和蓄热式三种。本实验采用的单套管式换热器为间壁式传热，其热流体为热空气，冷流体为水，热空气与水在套管内进行传热，传热方程为：q=K*A*△t m
式中：q为传热速率（W）；
K为总传热系数（W*m-2*k-1）
A为热空气—水间的传热面积（套管换热器的内管平均面积A=π*d m*L，d m为内管
内外径的平均值，L为套管换热器套管的长度）；
△t m 为热空气与冷却水间的平均温度差
【△t m =（△t1 +△t2 ）/ (ln△t1 -ln△t2 )，℃或K】，△t1 和△t2 分别为换热器两端的温度差。
在稳定传热过程中，热流体热空气通过换热器壁面将热量传给冷流体水，捂热量损失，两流体也未发生相变化，冷流体吸收热量与热流体放出热量相等，因此，传热速率Φ衡算式为：Φ=W g C p(T1-T2)
式中：W g 为空气的质量流量（Kg*S-1）
C p 为空气的比热容（K J*Kg*K-1）
T1，T2分别为热流体俄进口和出口温度（℃或K）
根据传热关系，传热系数是由以下几个分热阻的倒数组成，即
式中：a1、a2分别为热空气和冷却水的给热系数（W*m-2*k-1）
d1、d2分别为内管的内径和外径（m）, δ为内管的壁厚（m）;
λ为内管的导热系数（W*m-2*k-1）。
因冷却水的给热系数a2较大，d1 / (a2* d2 )值较小；λ值较大，δd1 /λd m 值也较小，故d1 / (a2* d2 )和δd1 /λd m 可略去。于是，可认为空气在圆管内作强制对流的给热系数a1 近似为热空气与冷却水之间的总传热系数，即K= a1 。
当热空气在圆形直管中作强制湍流流流动时，传热系数（给热系数）的关联式可写为：Nu=A*Re m*Pr n
式中：Nu为努赛尔数，表达式为Nu=a*d/λ；
Re为雷诺数，表达式为Re=du ρ/μ
Pr为普兰特数，表达式为Pr= C p*μ/λ
A为系数；
m、n为雷诺数的指数和普兰特数的指数。
空气的努赛尔数受给热系数a的影响，雷诺数又受空气在管内流速的影响，在很高温度和压力下，普兰特数变化很小，可近似认为它是一个常数，因此，可改写为：Nu=B*Re m
式取对数后为LgNu=LgB+m*LgRe
当空气流速改变后，它们原有的热平衡关系被打破，数值也随之发生变化，Nu亦随Re 的改变而改变。通过实验可测出不同条件下的空气的给热系数a与流速u，就能计算出Nu
和Re。以Nu为纵坐标，Re为横坐标，在双对数坐标上作出它们的关系图，关系图的斜率为
截距为LgB，将求得的B，m值代入式中，即得出给热准数关联式。
三、实验步骤：
1．熟悉实验装置及流程，检查设备，做好操作前的准备工作。
2．全开冷却水阀门，降水通入换热气中；打开鼓风机，打开空气控制阀门，将空气通入实验装置的电加热器中。
3．接通加热器电源，将电压调至，并始终保持电压稳定，当空气被加热后，在套管换热器上的进口温度测量点上显示温度为100-120℃左右（在稳定状态下，3min内热空气温度变化不超过1℃）时，开始在流量计上读取数值。热流体空气和冷流体冷却水的进、出口温度直接从装置上的各测量点读取。
4.逐渐由大到小调节空气控制阀门，改变空气流量6-8次，每次改变流量后，稳定3-5min 后，按步骤3读取相关数据。
5.完成所有数据测量后，将调压器上的电压指示调至零处，切断加热电源；继续通气、通水约5mi后关闭鼓风机，最后关闭冷却水阀门。
四、数据记录及处理
1、实验数据记录
2、实验数据处理
五、误差分析
影响给热系数的主要因素：
（1）液体的状态：气体、液体、蒸气及传热过程是否有相变化等；
（2）液体的物理性质：如密度、比热容、粘度及导热系数；
（3）液体的流动形态：层流或湍流；
（4）液体对流的对流状况：自然对流，强制对流等；
（5）传热表面积的形状、位置及大小。
在该实验过程中，空气流量读数时存在误差；进行温度读数时，温度不稳定，使得读数时存在误差；实验是在固定水流量的条件下进行的，但在实验过程中，水流量会出现波动，会对测定结果产生影响。
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
传热综合实验（一） 实验时间2020年5月14日成绩________指导老师_______________ 一、实验目的 1.通过对简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数α i 的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。 2.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。 二、实验原理 （1）传热过程基本原理 传热是指由于温度差引起的能量转移，又称热传递。由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在时，热量就必然发生从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。 总传热系数K是评价换热器性能的一个重要参数，也是对换热器进行传热计算的依据。对于已有的换热器，可以通过测定有关数据，如设备尺寸、流体的流量和温度等，然后由传热速率方程式（1-1）计算K值。传热速率方程式是换热器传热计算的基本关系。在该方程式中，冷、热流体的温度差△T是传热过程的推动力，它随传热过程冷热流体的温度变化而改变。 传热速率方程式Q=K×S×ΔTm（1-1） 所以对于总传热系数K=Cp×W×(T2-T1)/(S×ΔTm) (1-2) 式中： Q----热量(W)； S----传热面积(m2)； △Tm----冷热流体的平均温差(℃)；△Tm=Tw-Tm K----总传热系数(W/(m2·℃))； C P ----比热容 (J/(kg·K))； W----空气质量流量(kg/s)； △T=T 2-T 1 ----冷物流温度差(℃)。 换热器的面积：S i=πd i L i（1-3）式中：d i—内管管内径，m； L i —传热管测量段的实际长度，m； 平均空气质量流量W m=V mρm 3600（1-4）
导热系数、传热系数、热阻值概念及热工计算方法 导热系数λ[W/(m.k)]： 导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度(K,℃),在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米?度(W/m?K,此处的K可用℃代替)。导热系数可通过保温材料的检测报告中获得或通过热阻计算。 传热系数K [W/(㎡?K)]： 传热系数以往称总传热系数。国家现行标准规范统一定名为传热系数。传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度(K，℃)，1小时内通过1平方米面积传递的热量，单位是瓦/平方米?度(W/㎡?K，此处K可用℃代替)。传热系数可通过保温材料的检测报告中获得。 热阻值R(m.k/w)： 热阻指的是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值。单位为开尔文每瓦特（K/W）或摄氏度每瓦特（℃/W）。 传热阻： 传热阻以往称总热阻，现统一定名为传热阻。传热阻R0是传热系数K的倒数，即R0=1/K，单位是平方米*度/瓦（㎡*K/W）围护结构的传热系数K值愈小，或传热阻R0值愈大，保温性能愈好。 （节能）热工计算： 1、围护结构热阻的计算 单层结构热阻：R=δ/λ 式中：δ—材料层厚度(m)；λ—材料导热系数[W/(m.k)] 多层结构热阻： R=R1+R2+----Rn=δ1/λ1+δ2/λ2+----+δn/λn 式中: R1、R2、---Rn—各层材料热阻(m.k/w) δ1、δ2、---δn—各层材料厚度(m) λ1、λ2、---λn—各层材料导热系数[W/(m.k)] 2、围护结构的传热阻 R0=Ri+R+Re 式中: Ri —内表面换热阻(m.k/w)(一般取0.11) Re —外表面换热阻(m.k/w)(一般取0.04) R —围护结构热阻(m.k/w) 3、围护结构传热系数计算 K=1/ R0 式中: R0—围护结构传热阻 外墙受周边热桥影响条件下，其平均传热系数的计算 Km=(KpFp+Kb1Fb1+Kb2Fb2+ Kb3Fb3 )/( Fp + Fb1+Fb2+Fb3) 式中:Km—外墙的平均传热系数[W/(m.k)] Kp—外墙主体部位传热系数[W/(m.k)]
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；
传 热 综 合 实 验 一、实验目的 1.通过对本换热器的实验研究，可以掌握对流传热系数αi 的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。。 2.应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr 0.4 中常数A 、m 的值。 3.通过对管程内部插有螺旋线圈的空气-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、实验原理 对于流体在圆形直管中作强制湍流时的对流传热系数的准数关联式可以表示成： n m C Nu Pr Re = （1） 系数C 与指数m 和n 则需由实验加以确定。对于气体，Pr 基本上不随温度而变，可视为一常数，因此，式（1）可简化为： m A Nu Re = （2） 式中： λαd Nu 2= μ ρ du =Re 通过实验测得不同流速下孔板流量计的压差，空气的进、出口温度和换热器的壁温（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、外壁温度与壁面的平均温度近似相等），根据所测的数据，经过查物性数据和计算，可求出不同流量下的Nu 和Re ，然后用线性回归方法确定关联式m A Nu Re =中常数A 、m 的值。 三、 设备主要技术数据 1. 传热管参数: 表1 实验装置结构参数 2.空气流量计 (1) 由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。空气流量由公式[1]计算。 （第1套）6203.00)(113.18P V t ??=………………………………………………………………[1] （第2套）6203.00)(113.18P V t ??=………………………………………………………………[1] 其中， 0t V - 20℃ 下的体积流量，m 3/h ； P ?-孔板两端压差，Kpa
传热效率高: 板片波纹的设计以高度的薄膜导热系数为目标，板片波纹所形成的特殊流道，使流体在极低的流速下即可发生强烈的扰动流（湍流），扰动流又有自净效应以防止污垢生成因而传热效率很高。 一般地说，板式换热器的传热系数K值在3000～6000W/m2.oC范围内。这就表明，板式换热器只需要管壳式换热器面积的1/2～1/4 即可达到同样的换热效果。 随机应变: 由于换热板容易拆卸，通过调节换热板的数目或者变更流程就可以得到最合适的传热效果和容量。只要利用换热器中间架，换热板部件就可有多种独特的机能。这样就为用户提供了随时可变更处理量和改变传热系数K值或者增加新机能的可能。 热损失小: 因结构紧凑和体积小，换热器的外表面积也很小，因而热损失也很小，通常设备不再需要保温。 使用安全可靠: 在板片之间的密封装置上设计了2道密封，同时又设有信号孔，一旦发生泄漏，可将其排出热换器外部，即防止了二种介质相混，又起到了安全报警的作用。 有利于低温热源的利用: 由于两种介质几乎是全逆 流流动，以及高的传热效果，板式 换热器两种介质的最小温差可达到 1oC。用它来回收低温余热或利用低 温热源都是最理想的设备。
冷却水量小: 板式换热器由于其流道的几何形状所致，以及二种液体都又很高的热效率，故可使冷却水用量大为降低。反过来又降低了管道，阀门和泵的安装费用。 占地少，易维护: 板式换热器的结构极为紧凑，在传热量相等的条件下，所占空间仅为管壳式换热器的1/2～1/3。并且不象管壳式那样需要预留出很大得空间用来拉出管束检修。而板式换热器只需要松开夹紧螺杆，即可在原空间范围内100%地接触倒换热板的表面，且拆装很方便。 阻力损失少: 在相同传热系数的条件下，板式换热器通过合理的选择流速，阻力损失可控制在管壳式换热器的1/3范围内。 投资效率高: 在相同传热量的前提下，板式换热器与管壳式换热器相比较，由于换热面积，占地面积，流体阻力，冷却水用量等项目数值的减少，使得设备投资、基建投资、动力消耗等费用大大降低，特别是当需要采用昂贵的材料时，由于效率高和板材薄，设备更显经济。
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：
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 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和给热系数测定的实验组织方法； 2. 学会给热系数测定的试验数据处理方法； 3. 了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。 二、实验原理 在工业生产中，间壁式换热器是经常使用的换热设备。热流体借助于传热壁面，将热量传递给冷热体，以满足生产工艺的要求。影响换热器传热速率的参数有传热面积、平均温度差和传热系数三要素。为了合理选用或设计换热器，应对其性能有充分的了解。除了查阅文献外，换热器性能实测是重要的途径之一。传热系数是度量换热器性能的重要指标。为了提高能量的利用率，提高换热器的传热系数以强化传热过程，在生产实践中是经常遇到的问题。 在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中，所涉及的热量衡算为： 1212() ()()()h h w c c w m w w Q KA T t Q A T t Q A t t A Q t t ααλδ =-=-=-= - 1122111w w w w h h m c c T t t t t t T t Q A A A KA δαλα----= === 1 h h m c c K A A A A A A δαλα= ++ 在所考虑的这个传热过程忠，所涉及的参数共有13个，采用因次分析方法 ：π=13-4=9 个无因次数群。 该方法的基本处理过程是将研究的对象分解成两个或多个子过程 。即： 12(,)K f αα≈ 分别对α1、α2进行研究： 1111111(,,,,,)p f d u c αρμλ= 无因次处理得：
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，
实验三传热系数K和给热系数a的测定 一、实验目的 1. 了解间壁式传热元件和给热系数测定的实验组织方法； 2. 学会给热系数测定的试验数据处理方法； 3. 了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。 二、实验原理 在工业生产中，间壁式换热器是经常使用的换热设备。热流体借助于传热壁面，将热量传递给冷热体，以满足生产工艺的要求。影响换热器传热速率的参数有传热面积、平均温度差和传热系数三要素。为了合理选用或设计换热器，应对其性能有充分的了解。除了查阅文献外，换热器性能实测是重要的途径之一。传热系数是度量换热器性能的重要指标。为了提高能量的利用率，提高换热器的传热系数以强化传热过程，在生产实践中是经常遇到的问题。 在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 热过程中，所涉及的热量衡算为： Q =KA(T -t) Q = ：h A h 仃- t wi) Q = ： c A c(t w2 一t) ■'"Am (t wi 72) T - t w1 ：h A h t w1 ~ tw2 _ tw2 - t L A m : c A c T -t KA K 二 K A、A :h A h A m : c A c 在所考虑的这个传热过程忠, 所涉及的参数共有13个，采用因次分析方法：n =13-4=9个无因次数群。 该方法的基本处理过程是将研究的对象分解成两个或多个子过程。即: K f (：1」2) 分别对a 1 a2进行研究： >1 = f (d1, U1, :1，丄1, C p1, ■ 1) 无因次处理得:
c III 丄)> Nu 二 a 0 Re b Pr c 1) 传热系数K 的实验测定 热量衡算式和传热速率方程式 热量衡算式： Q - q c : ' c c pc (t 2 - t 1 ) 传热速率式： Q = KA 心 其中： (T | 九)-仃2 7) 三、实验组织方法 qc----空气流量计1个； ti 、 t2 -----冷流体进、出口温度计 2个; In T 1 “2 T 2 —ti 两式联立，得： I, q c PcCpc (t 2 - ti) K = AAt m 2) 给热系数a 的实验测定 热量 衡算式和传热速率方程式 热量衡算式: Q = q c " c C pc (t 2 _ t i ) 传热速率式: 其中: mc (t w 上 ~t 2)- (t w 下■ t i ) ln^ h t w 下 _t i 两式联立，得: q c'c C pc (t 2 -t i ) A %
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
一. 实验目的 1.测定流体在套管换热器对流传热系数αi 2.加深对对流传热的概念和影响因素的理解 3.确定关联式Nu=ARe m Pr0.4中常数A、m的值 二. 实验装置 三. 实验步骤 (1) 向电加热箱加水，并通电加热。 (2) 检查流量计流量调节阀是否关闭。 (3) 启动离心泵改变流量调节阀开度。稳定后测定流量、热水进出口温度、冷水进出、管外壁面平均温度。测定5～6组实验数据。 (4) 实验结束. 关闭加热器开关。 四. 实验注意事项： 1．检查加热箱中的水位是否在正常范围内。进行实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。 五.试验结果： 1.已知数据及有关常数: (1)传热管内径di (mm)及流通断面积 F(m2).
di ＝18.00(ｍｍ),＝0.018 (ｍ); F ＝π(di2)／4＝3.142×(0.018) 2／4＝0.0002545（m2）. (2)传热管有效长度 L(ｍ)及传热面积si(m2). L ＝1.00ｍ) Si ＝πL di ＝3.142×1.00×0.0180＝0.05656(m2). (3)定性温度at(℃)取t 值为空气进口温度T1(℃)及出口温度T2 (℃)的平均值, 即at=（T1+T2）/2 (4)水在定性温度下的性质计算方法，取水在50℃和60℃的物性作以温度T 为变量的一次函数，然后将定性温度代入而求得，参考公式： 密度： ρ= -0.5t + 1013.1 导热系数：λ = 0.11t + 59.3 黏度： μ = -7.95t + 946.9 (5)热量衡算式：Q=（V*Cp*ρ*dT ）/3600 式中：V —冷流体在套管内的平均体积流量，m 3 / h ； 对流传热系数: ()i m i i s t Q ??=/α （W/m 2·℃） 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； mi t ?—传热膜温差，℃。 mi t ?=(T1+T2)/2- t w 式中：t 1，t 2—冷流体的入口、出口温度，℃； t w —壁面平均温度，℃； 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 i m i i A Nu Pr Re =. 其中： i i i i d Nu λα= i i i i i d u μρ=Re i i pi i c λμ= Pr 准数关联式的形式简化为： 3 .0Pr Re i m i i A Nu = 这样通过实验确定不同流量下的Rei 与i Nu ，然后用线性回归方法确定A 和m 的值。 A =0.5379和m =0.4086
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，
⒈ 实验名称 光滑管气体给热系数测定实验 ⒉ 实验目的 ①掌握对流传热系数α的测定方法；并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。 ②掌握孔板流量计的使用。 ③掌握DC-3A 微音气泵的使用。 ⒊ 实验基本原理 空气在圆形直管中作湍流流动的给热准数方程： ), ,,(01d l Gr P R f N r e u = 强制对流时，G r 可忽略；对气体而言，原子数相同的气体Pr 为一常数，当 50>o d l 其影响亦可忽略，故上式可写为：(Re) f N u = 一般可写成 n e u AR N = 两边取对数 e u R n A N lg lg lg += μ ρλαdu Re d N Re N A u n e === ，， 。 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 S 1 1K 1αλδα++= 因管壁很薄，可将圆壁看成平壁；因是空气，故不计污垢热阻。又因是黄铜管壁 且很薄， 1/α2为蒸气冷凝膜的热阻，α为空气传热膜系数，对比之下，21 αλδ、 s 两项热阻均可忽略，即K ≈α，故 m p s t A t t c V K ?-= ≈） 进出( ρα 本实验主要热阻在空气一侧，故d 值取管内径较为合理。 出进进 出出进出进t T t T t t t T t T t T t T t m ---=-----= ?ln ln )()( ⒋ 实验所需仪器装置
疏水阀 温度巡检仪 风机 温度巡检仪 图1 2型传热实验装置示意简图 蒸汽发生器 流量调节阀 孔板流量计 压差计变送器 ⒌ 实验步骤及内容 ⑴开启光滑管进风阀，关闭螺纹管进风阀，打开风机，调节孔板流量计R 值约为100左右，待进口温度t 进稳定后，蒸汽发生器停止加热，打开光管侧蒸汽进气阀，打开蒸汽排气阀门，排出一定量蒸汽，时间约1分钟。稳定后读取实验数据。开始读取蒸汽温度T 、t 进、t 出、t 壁，孔板流量计R 值及孔前表压Rp ，将这些数据记录在实验记录表上，然后改变孔板流量R 值约为200，再测取以上数据记录，在R 值为200到700间大约做5组数据，然后再计算整理结果。 ⑵实验结束后 ①实验结束后，关闭加热开关。 ②关闭两个蒸汽进口阀门。 ③将螺纹管、光滑管的冷风进口阀门、蒸汽排气阀门打开，拔掉孔板压差表、计前表与风管俄连接胶管，并将风机挡位调至4处。 ④进行风冷管路1小时，关闭整个传热系统电源。 ⒍ 实验原始记录 实验记录 光滑管记录： 管型：光滑 室温：16o C 大气压强：753（mmHg ） 光滑管直径:17.8mm ，光滑管长：1.224m
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 化工原理 传热综合实验报告 数据处理 七、实验数据处理 1.蒸汽冷凝与冷空气之间总传热系数K 的测定，并比较冷空气以不同流速u 流过圆形直管时，总传热系数K 的变化。 实验时蒸汽压力：0.04MPa （表压力），查表得蒸汽温度T=109.4℃。实验装置所用紫铜管的规格162mm mm φ?、 1.2l m =，求得紫铜管的外表面积 200.010.060318576281.o S d l m m m ππ=??=??=。 根据2 4s s V V u A d π= =、0.012d m =，得到流速u ，见下表2： 表2 流速数据 取冷空气进、出口温度的算术平均值作为冷空气的平均温度，查得冷空气在不同温度下的比热容p c 、黏度μ、热传导系数λ、密度ρ，如下表3所示： 表3 查得的数据 t 进/℃ t 出/℃ t 平均/℃ ()p c J kg ????? ℃ Pa s μ? ()W m λ?????℃ ()3 kg m ρ-? 22.1 77.3 49.7 1005 0.0000196 0.0283 1.093 24.3 80.9 52.6 1005 0.0000197 0.02851 1.0831 26.3 82.7 54.5 1005 0.0000198 0.02865 1.0765 27.8 83 55.4 1005 0.0000198 0.02872 1.0765 29.9 83.6 56.75 1005 0.0000199 0.02879 1.0699 31.8 83.7 57.75 1005 0.00002 0.02886 1.0666 33.7 83.8 58.75 1005 0.0000200 0.02893 1.0633 35.6 84 59.8 1005 0.0000201 0.029 1.06 根据公式()()=V s p s p Q m c t t c t t ρ=--出进出进、 ()()ln m T t T t t T t T t ---?=--进出进出 ， 求出Q 序号 ()31s V m h -? ()1u m s -? 1 2.5 6.140237107 2 5 12.28047421 3 7.5 18.42071132 4 10 24.56094843 5 12.5 30.70118553 6 15 36.84142264 7 17.5 42.98165975 8 20 49.12189685化工原理 传热综合实验报告 数据处理
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