热质交换原理实验讲义

翅片管束管外传热和阻力测定实验指导书

一、 实验目的

1． 了解热工实验的基本方法和特点；

2． 学会翅片管束管外传热和阻力的实验研究方法；

3． 巩固和运用传热学课堂讲授的基本概念和基本知识；

4． 培养学生独立进行科研实验的能力。

二、 实验内容

1． 熟练实验原理和实验装置，学习正确使用测温差、测压力、测流速、测热量等仪表。

2． 正确安排实验，测取管外传热和阻力的有关实验数据。

3． 用威尔逊方法整理实验数据，求得管外传热系数的无因次关联式；同时，也将阻力数据整理成无因次关联式的形式。

4． 对实验设备、实验原理、实验方案和实验结果进行分析和讨论。

三、 实验原理

1． 翅片管是换热器中常用的一种传热元件，由于扩展了管外传热面积，故可使光管的传热热阻大大下降，特别适用于气体侧换热的场合。

2． 空气（气体）横向流过翅片管束时的对流传热系数除了与空气流速及物性有关以外，还与翅片管束的一系列几何因素有关，其无因次函数关系可示如下：

Nu=f (Re、Pr、0DH、0D、0DB、0DPt0DPl、N) （1）

式中：Nu=0D为eNusslt数； eR=mUD0=mGD0 为Renolds数；

Pr==pC 为andtlPr数；

H、、B分别为翅片高度、厚度和翅片间距；

tP、lP为翅片的横向管间距和纵向管间距；N为流动方向的管排数；

D0为光管外径；Um、Gm为最窄流通截面处的空气流速m/s和质量流速（2kgms）；

且Gm=Um ； 、、、、为气体的物性值。

20℃时

 热导率 密度 η动力粘度 运动粘度 pC定压比热容 热扩散率

0.0259 1.205 18.110-6 15.0610-6 1.005103 21.410-6

Wmk 3kgm aps 2ms Jkgk sm2

此外，传热系数还与管束的排列方式有关，有两种排列方式：顺排和叉排，由于在叉排管束中流体的紊流度较大，故其管外传热系数会高于顺流的情况。 对于特定的翅片管束，其几何因素都是固定不变的，这时，式（1）可简化为：

euRfN(，)rP （2）

对于空气，Pr数可看作常数，故

)(euRfN （3）

式（3）可表示成指数方程的形式：

neuCRN （4）

式中C、n为实验关联式的系数和指数。这一形式的公式只适用于特定几何条件下的管束。为了在实验公式中能反映翅片管和翅片管束的几何变量的影响，需要分别改变几何参数

进行实验并对实验数据进行综合整理。

3．对于翅片管，管外传热系数可以有不同的定义公式，可以以光管外表面为基准定义传热系数，也可以以翅片管外表面积为基准定义。为了研究方便，此处采用光管外表面积为基准，即：

h=)(00wTTLDnQ （5）

式中：Q为总传热量（W）；n为传热管子的根数；LD0为一支管的光管换热面积（㎡）；T为空气平均温度（℃）；woT为光管外壁温度（℃）；此处，h的单位为（W/m2·℃）。

4．如何测求翅片管束平均管外传热系数h是实验的关键。如果直接由式（5）来测求h，势必要测量管壁平均温度woT，这是一件很困难的任务。采用一种工程上更通用的方法，即：威尔逊方法测求管外传热系数，这一方法的要点是先测求出传热系数，然后从传热

热阻中减去已知的各项热阻，即可间接地求出管外传热热阻和传热系数。即：

h1=WlRhK11 （6）

式中：K为翅片管内壁的传热系数，可由实验求出：

)(0TTLDnQK （7）

其中：T代表管内流体的平均温度；

lh是管内流体对管内壁的传热系数，可由已知的传热规律计算出来；

WR由管壁的导热公式计算；

应当指出，当管内传热系数lhh时，管内热阻lh1将远远地小于管外热阻h1，这时，lh的某些计算误差将不会明显地影响管外传热系数h的大小。

５．为了保证h有足够大的数值，一般实验管内需采用蒸汽冷凝传热的换热方式。本实验系统中，采用热管作为传热元件，将实验的翅片管，作为热管的冷凝管，即热管内部的蒸汽在翅片管内冷凝，放出汽化潜热，通过管壁，传出翅片管外，这就保证了翅片管内的冷凝过程。这时，管内传热系数lh可用Nusselt层流膜层凝结原理公式进行计算，即：

31)4(88.1lh31223)(g （8）

式中，iDrnQ （9）

为单位冷凝宽度上的凝液量（kgsm），其中，r为汽化潜热（Jkg），iD为管子内径,式（8）中第2个括号中的物理量为凝液物性的组合。

圆筒壁的导热热阻为

iwWDDDR00ln2 (2m℃/W ) （10）

应当注意：式（6） 中的各项热阻都是以光管外表面积为基础的。

四、 实验设备

实验的翅片管束安装在一台低速风洞中,实验装置和测试仪表如图1所示。实验装置由有机玻璃风洞、试验管件、加热管件、风机支架、测试仪表等六部分组成。

有机玻璃风洞由带整流隔栅的入口段、平稳段、前测量段、工作段、后测量段、收缩段、测速段、扩压段等组成。工作段和前后测量段的内部横截面积为300300mm。工作段的管束及固定管板可自由更换。

实验管件由两部分组成：单纯翅片管和带翅片的实验热管，但外形尺寸是一样的，采用顺排排列，翅片管束的几何特点如表1所示。

表1：

翅片管

内 径 翅片管

外 径 翅 片

高 度 翅 片

厚 度 翅 片

间 距 横向管

间 距 纵向管

间 距 管排数

iD（mm） 0D（mm） H（mm） （mm） B（mm） tP （mm） lP（mm） N

20 46 13 1 4 75 83 7

4根实验热管组成一个横排，可以放在任何一排的位置上进行实验。一般放在第3排的位置上，因为实验数据表明，自第3排以后，各排的传热系数基本保持不变了。所以，这样测求的传热系数代表第3排及以后各排管的平均传热系数。

试验热管的加热段由专门的电加热器进行加热，电加热器的电功率由电流、电压表进行测量。加热功率可直接由电压乘以电流得到。实验管的加热功率可由下式得到： Q=IU （W） （11）

每一支热管的内部插入一支铜鏮铜铠装热电偶用以测量热管内冷凝段的蒸汽温度Tv,在电加热的箱体上也安装一支热电偶，用以确定箱体的散热损失。热电偶的电动势由电位差计测量。

空气流的进出口温度由玻璃温度计进行测量，入口处安装一支，出口处可安装两支，以考虑出口截面上气流温度的不均匀性。空气流经翅片管束的压力降由斜倾式压差计测量，管束前后的静压侧孔都是1个，在前后测量段的壁面上。空气流的速度和流量由安装在收缩段上的毕托管和倾斜式压差计测量。

五、实验步骤

1． 熟悉实验原理，实验设备；

2． 调试检查测温、测速、测热等各仪表，使其处于良好工作状态；

3． 接通电加热器电源，将电功率控制在2～3KW之间，预热5～10分钟后，开动引风机；注意引风机需在空载或很小的开度下启动；

4． 调整引风机的阀门，来控制实验工况的空气流速。一般，空气风速应从小到大逐渐增加。

实验中，可开启引风机的5个开度，读取毕托管压差值，这样，就有5个实验工况；

5． 在每一个实验工况下，待确认设备处于稳定状态后，进行所有物理量的测量和记录，将测量的量整齐地记在数据记录表格中。

6． 进行实验数据的计算和整理，将结果逐项记入数据整理表格中。在整理数据时，可以手工计算，也可以编程计算。

7． 对实验结果进行分析和讨论。

应注意，当所有工况的测量结束以后，应先切断电加热器电源，待10分钟后，再关停引风机。

六、数据整理

数据的整理可按下述步骤进行：

1． 计算风速和流量

测量截面积的风速

U测=h2g (m/s ) （12）

其中：压差h ( mm水柱)或(2kgfm) ；单位换算系数8.9g (2kgmkgfs) ；

流量：测测FUMa

其中：测量截面积0.0750.3F测 （m2）

2． 空气侧吸热量

)(121aapaTTCMQ （13）

1aT：进口空气温度（℃）； 2aT：进口空气温度（℃）；

3．电加热器功率

IUQ2 （W）

4．加热器箱体散热。因箱体温度很低，散热量小，可由自然对流计算

30()cwQaFbTT

此处，ca为自然对流散热系数，可近似取25 Wmca℃ 进行计算；Fb为箱体散热面积(458.032.0Fb2m)，wT箱体温度，0T为环境温度。

5． 计算热平衡误差

13211)(QQQQQQ （14）

6． 计算翅片管束最窄截面处的质量流速

窄测测FFUUm (sm/)

)(0DPLFt窄 L：翅片管有效长度300mm

mUGm (2/kgms)

7． 质量流速

测UG ( 2/kgms)

8．计算eR数

meGDR0

9．计算翅片管内壁传热系数

)(01TTLDnQKv 2mW℃ （15）

10．计算管内凝结液膜传热系数

由式（8）进行计算，对于以水为工质的热管，液膜物性值都是管内温度Tv的函数，因此，式（8）可简化为：

3112))(677.93404245623(ivvlnDQTTh （16）

11．计算管壁热阻，由式（9）计算

12．由式（6）计算管外传热系数 13．计算0aDNu

14．在双对数坐标纸上标绘euRN关系曲线，并求出其系数和指数。也可由计算程序求euRN回归方程。

此外，空气流过管束的阻力P一般随eR数的增加而急剧增加，同时，与流动方向上的管排数成正比，一般用下式表示

gNGfPm22 （17）

式中：f为摩擦系数，在几何条件固定的情况下，它仅仅是eR的函数，即

meCRf （18）

式（18）中的系数mC和指数可由实验数据在双对数坐标上确定。一组实测的实验数据及整理结果如附录I所示。

七、讨论

１．测求的管外传热系数h包括了几部分热阻？

２．所求实验公式的应用条件和范围是什么？应用威尔逊方法需保证什么条件？

３．每支实验热管的管内温度wT不尽相同，这对平均传热系数h的精确性有何影响？

４．分析实验误差产生的原因和改进措施。

５．通过实验，掌握了那些实验技能？巩固了哪些基本概念？