管内强制对流传热膜系数的测定

实验四 传热系数测定实验1．实验目的（1）观察水蒸汽在水平管外壁上的冷凝现象；（2）测定空气－水蒸汽在套管换热器中的总传热系数；（3）测定空气在圆形直管内强制对流时的传热膜系数及其与雷诺数Re 的关系。

2．基本原理在套管换热器中，环隙通以水蒸汽，内管管内通以空气，水蒸汽冷凝放热以加热空气，在传热过程达到稳定后，有如下热量衡算关系式（忽略热损失）：()()mW i i m i i p t t S t S K t t C V Q -=∆=-=αρ12由此可得总传热系数mi P i t S t t C V K ∆-=)(12ρ空气在管内的对流传热系数（传热膜系数） m w i P i t t S t t C V )()(12--=ρα上式中 Q ：传热速率，w ；V ：空气体积流量（以进口状态计），m 3/s ； ρ： 空气密度（以进口状态计），kg/m 3； C P ：空气平均比热，J/(kg ·℃)；K i ：以内管内表面积计的总传热系数，W/(m 2·℃)； αi ： 空气对内管内壁的对流传热系数，W/(m 2·℃)； t 1、t 2 ：空气进、出口温度，℃； S i ：内管内壁传热面积，m 2；Δt m ：水蒸气与空气间的对数平均温度差，℃；2121ln)()(t T t T t T t T t m -----=∆ T ：蒸汽温度（取进、出口温度相同），℃。

(t w －t )m ：空气与内管内壁间的对数平均温度差，℃；22112211ln )()()(t t t t t t t t t t w w w w m w -----=- t w1、t w2 ：内管内壁上进、出口温度，℃。

当内管材料导热性能很好，且管壁很薄时，可认为内管内外壁温度相同，即测得的外壁温度视为内壁温度。

流体在圆形直管内作强制湍流（流体流动的雷诺数Re ＞10000）时，对流传热系数αi与雷诺数Re 的关系可近似写成 ni A Re =α式中A 和n 为常数。

管内强制对流传热膜系数的测定实验报告一、实验目的本实验旨在通过实验测定管内强制对流传热膜系数，并掌握传热膜系数的测定方法和技术。

二、实验原理管内强制对流传热是指在管内流体中，由于流体的运动而产生的传热现象。

传热过程中，液体或气体与固体表面接触时，会因为温度差而发生传热。

在强制对流条件下，由于流体的动力作用，会增加固体表面附近的液体或气体的速度，从而增加了固体表面附近的换热系数。

本实验采用垂直放置的管道，在管道内通过水来进行强制对流传热。

通过测量水进出口温度差、水流量以及管道内壁温度差等参数，计算出管内强制对流传热膜系数。

三、实验器材1. 垂直放置的导热试件2. 水泵和水箱3. 流量计和温度计等测试仪器四、实验步骤1. 将导热试件放入垂直放置的试件支架中，并连接好进出水管道。

2. 打开水泵，调整水流量，使其稳定在一定范围内。

3. 测量进口和出口水温，并计算出温度差。

4. 测量导热试件内壁的温度差。

5. 根据测量得到的参数，计算出管内强制对流传热膜系数。

五、实验结果分析通过实验测量和计算，得到了不同条件下的管内强制对流传热膜系数。

根据实验结果可以发现，在相同的流速下，传热系数随着壁温度差的增大而增大。

这是因为在强制对流条件下，液体或气体与固体表面接触时，会因为温度差而发生传热。

当壁温度差增大时，液体或气体与固体表面接触的面积增大，从而增加了换热系数。

六、实验误差分析本实验中可能存在的误差主要来自于以下几个方面：1. 测量仪器误差：如温度计、流量计等仪器精度限制；2. 实验环境误差：如室内温度变化、水泵压力变化等；3. 实验操作误差：如读数不准确、流量控制不稳定等。

七、实验结论本实验通过测量水进出口温度差、水流量以及管道内壁温度差等参数，计算出管内强制对流传热膜系数。

实验结果表明，在相同的流速下，传热系数随着壁温度差的增大而增大。

本实验为管内强制对流传热膜系数的测定提供了一种简单有效的方法和技术。

强制对流下空气传热膜系数的测定一、实验目的1、掌握空气在强制对流条件下，传热膜系数的测定。

2、比较圆形光滑管和螺纹管强化传热效率二、实验任务无三、实验原理流体在圆形直管中强制对流时的给热系数（亦称对流传热膜系数）的关联式为（1）对空气而言，在较大的温度和压力范围内Pr准数实际上保持不变，取Pr=0.7。

因流体被加热，故取b＝0.4，Pr b为一常数，则上式可简化为：（）（2）将上式两边取对数得：(3)上式中～作图为一直线。

实验中改变空气的流速以改变值，同时根据牛顿冷却定律求出不同流速下的给热系数a ，得出数Nu和数Re之间的函数关系，由式（3）确定出式中的系数A与指数a。

在套管换热器中传热达稳定后，根据牛顿冷却定律和热衡算式有如下的关系：（4）式中：Q：传热速率, W；V：空气的体积流量, m3/s；r ：空气的密度, kg/m3；：空气的平均比热, J/kg× ℃；t1：空气的进口温度, ℃；t2：空气的出口温度, ℃；a ：空气在管内的给热系数, W/m2× ℃；A：传热面积，以管内表面计, m2；Δt m：内管管壁与空气温差的对数平均值（5）式中T为内管管壁的温度, ℃。

传热面积A已知，V、T、t1、t2均可测得，由（4-20）求出a ，即可算出Nu准数。

四、实验装置介绍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，黄铜管内由鼓风机送人气体，钢管作外套管，饱和蒸汽由阀门11通人套管换热器的夹套内，其冷凝放出热量通过黄铜管壁被传递到管内流动的空气。

蒸汽放出热量后冷凝成水，冷凝水由下侧疏水器13排出。

饱和蒸汽由配套的电加热蒸汽发生器产生。

饱和蒸汽温度、壁温以及空气的进出口温度由热电偶7送到电位差计15测量，冰瓶16维持热电偶的冷端温度为0℃。

压强及压差分别由压差计10测取。

空气的流量由阀门3调节。

该实验流程图如图所示。

五、实验操作演示略六、实验分析思考1、热电偶的冷端温度对本实验有何影响？若冷端温度不为0摄氏度，能否测试？为什么？2、在蒸汽冷凝时，若存在不凝性气体，你认为将会有什么影响？应该采取什么措施？3、本实验中所测定的壁面温度是靠近蒸汽侧的温度，还是接近空气侧的温度？为什么？4、在实验中有哪些因素影响实验的稳定性？5、影响传热膜系数的因数有哪些？。

实验四 强制对流下空气传热膜系数的测定实验一、实验目的1. 了解间壁式传热装置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、实验内容1、测定5—6组不同流速下，套管换热器的总传热系数K 和空气的对流传热系数αc 。

2、对αc 的实验数据进行多元线形回归，求准数关联式Nu=ARe m Pr n中常数A ，m 。

三、基本原理（简述）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、热流体均可表示为Q 1=()1w h h t T A -α （2） 或 Q 2=()t t A w c c -2α （3）图1传热过程示意图 图2传热解析图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 3()21w w mt t A -⋅=δλ （4） 由热量平衡及忽略热损失后（即Q=Q 1=Q 2=Q 3），可将（2）（3）（4）式写成如下等式：Q=KAtT A t t A t t A t T c c w m w w h h w 1112211-=-=-=-αλδα （5） 所以 cc m h h A A A K αλδα111++=（6）()22222111111,,,,,,,,,,,,u c u c d f K p p λμρδλλμρ==()5,2,6f （7）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。

实验三空气在圆直管内作强制湍流时给热系数测定实验一、实验目的1、学习测定传热系数和给热系数的方法。

2、加强对传热理论的理解。

3、学习化工中常用的准数关联方法及对数坐标纸的使用。

二、实验原理1、从传热原理知道，对于稳态传热有：Q=Vs·ρ·Cp·（t2-t1）=K·A·Δtm=α·A·Δt即K= Vs·ρ·Cp·（t2-t1）/ A·Δtm其中Δtm= t2-t1 / ln[(T-t2)/(T-t1)] (℃)由于蒸汽冷凝热阻与黄铜管壁热阻远小于内管空气对流给热热阻，可以忽略不计，故有K ≈α2、由因次分析可得知，空气在圆直管内强制湍流传热中，有：Nu=C·Rem 式中μρdu=Re将上式两边取对数得：lgNu=lgC+mlgRe可见，若以Nu与Re在双对数坐标纸上标绘，应得斜率为m截距为lgC的直线。

3、上面式中符号意义Q ——传热速率，W；Vs——空气在实验状态下的体积流量，m3/sA——传热面积，m2K——总传热系数，W/(m2·K)Δtm——传热平均温度差，℃α——空气侧对流给热系数，W/(m2·K)Δt——给热温度差，℃t1 、t2——被加热流体进出口温度，℃ρ——空气在实验状态下的密度，m3/KgCp——空气比定压热容，J/(kg·K)4、有关参数的测定空气温度t1 、t2——用热电偶测出电位数值，经转换用数码显示仪显示空气流量——用转子流量计测出蒸汽压力——用弹簧压力计测得三、实验装置1、实验装置结构及流程见图2、套管换热器尺寸：内管为黄铜管，Φ31mm×3.5mm，L=1.6m，套管为50mm水煤气管，并覆以保温材料。

四、实验方法1、首先熟悉实验原理和实验装置结构及流程2、正确操作顺序：（1）启动罗茨鼓风机，并打开空气调节阀，使空气进入套管换热器内管（2）打开电热锅炉注水阀，向锅炉注水至1/2~2/3液面处，打开加热器开关，加热并产生一定压力的蒸汽（3）打开电热锅炉的出口调节阀，让蒸汽进入套管，并排放套管内空气，仪表盘动态显示系统各温度值（4）按动“显示数据”按钮，调入原始数据记录表（5）待系统稳定后，按动“确定”按钮，当前一组数据计入原始数据表，在整个测量范围内划分为8个以上测点，并按上述方法记录各组数据（6）按动“处理数据”按钮，进入数据处理环境界面，按动“显示结果”按钮，便可查看数据处理结果数据表、曲线及其回归方程式五、实验结果1、PCE-ES处理结果：2、Excel数据处理结果：六、思考题1、影响对流传热系数的因素有哪些？答：①流体的物性与种类;②流体流动的原因;③流体流动的状态;④传热面的形状;⑤位置与大小等;即可用表达式表示为α=f(ρ,μ,Cp,λ,u,L,βg△T)。

气体强制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、 实验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，有如下关系式：VρC 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，m 3/s ； ρ——被加热流体密度，kg/m 3； 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/(m 2·℃)； 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，m 2；(T －T W )m ——水蒸气与外壁间的对数平均温度差，℃；（1-2）(t w －t)m ——内壁与流体间的对数平均温度差，℃；（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11221122()()()lnw w w m w w t t tt t t t tt t ----=--11221122()()()ln w w m w w T T T T T Tw T T T T ----=--i i i i d Nu λα=iipi ic λμ=Pr ，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（1-1）可得：（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 。

管内强制对流传热膜系数的测定思考题管内强制对流传热膜系数的测定思考题引言•管内强制对流传热膜系数是工程中常用的一个参数，用于描述管道内流体和管壁之间的传热情况。

•测定管内强制对流传热膜系数的方法有很多种，但不同的方法适用于不同的情况。

•在本文中，我们将探讨一些与管内强制对流传热膜系数测定相关的思考题。

思考题1：在实际工程中，如何测定管内强制对流传热膜系数？•使用热解方法：通过在管内外表面放置温度传感器，测定流体和管壁的温度差，进而计算得到传热膜系数。

•使用传热换热器：在实验装置中加入传热换热器，通过测量进出口温度及流量等参数，计算得到传热膜系数。

•使用数值模拟软件：通过建立流体传热模型，使用数值模拟软件进行计算和分析，得到传热膜系数的估计值。

思考题2：测定管内强制对流传热膜系数时，需要注意哪些因素？•流体性质：包括流体的物性参数如温度、密度、粘度等，对传热膜系数的测定有重要影响。

•流动条件：流体的流速、流向以及流动状态等都会对传热膜系数的测定结果产生影响。

•管道材质和表面特征：管道材质的导热性能以及表面的粗糙度等也会影响传热膜系数的测定。

•温度梯度：在实际测定过程中，保持管道内外表面温度差的稳定性对准确测定传热膜系数很重要。

思考题3：有哪些因素可能导致测定结果的误差？•测量误差：温度传感器的精度、测量仪器的误差以及数据采集的误差等都可能导致测定结果的误差。

•实验条件不确定：在实际工程中，流体的条件、环境温度等因素都可能不确定，这也会导致测定结果的误差。

•假设条件限制：在进行传热膜系数测定时，通常需要做一些假设，而这些假设也可能引入误差。

思考题4：如何提高测定管内强制对流传热膜系数的准确性？•选择合适的测量方法：根据具体情况选择合适的测量方法，比如根据流体特性选择热解方法或使用传热换热器等。

•提高测量精度：选择高精度的温度传感器和测量仪器，并进行校准，以提高测量的准确性。

•重复测量和统计分析：多次重复测量，并进行统计分析，以减小随机误差对测定结果的影响。

实验四传热系数测定实验
1．实验目的
（1）观察水蒸汽在水平管外壁上的冷凝现象；
（2）测定空气－水蒸汽在套管换热器中的总传热系数；
（3）测定空气在圆形直管内强制对流时的传热膜系数及其与雷诺数Re的关系。

2．基本原理
在套管换热器中，环隙通以水蒸汽，内管管内通以空气，水蒸汽冷凝放热以加热空气，在传热过程达到稳定后，有如下热量衡算关系式（忽略热损失）：
由此可得总传热系数
空气在管内的对流传热系数（传热膜系数）
上式中 Q：传热速率，w；
V：空气体积流量（以进口状态计），m3/s；
ρ：空气密度（以进口状态计），kg/m3；。

装订 线实验报告课程名称： 过程工程原理实验 指导老师： 成绩：__________________实验名称： 管内强制对流传热膜系数的测定 实验类型：________________同组学生姓名：__________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1、了解套管式换热器的结构和传热热阻的组成。

2、学习测定流体间壁换热总传热系数的实验方法。

3、掌握近似法和简易Wilson 图解法两种从传热系数实验数据求取对流传热膜系数的数据处理方法。

4、掌握根据实验数据获得传热准数经验公式的方法和数学工具。

5、掌握热电偶、UJ-36电位差计的长图式自动记录仪的使用方法。

二、实验内容1、在空气-水套管换热器中，测定一系列空气流量条件下冷、热流体进、出口温度。

2、通过能量衡算方程式和传热速率基本方程式计算总传热系数K i 的实验值。

3、分别用近似法、简易Wilson 图解法求取空气侧对流传热膜系数αi 。

4、根据实验获得的对流传热膜系数αi 和空气流速u i ，整理得到努赛尔数Nu 与雷诺数Re 之间的幂函数型经验公式。

5、把实验获得的经验公式与化工原理教材和参考书中的列出的同类公式进行比较，讨论其异同点。

6、根据实验装置情况分析实验测试数据的误差来源。

三、实验原理流体与固体壁面间的对流传热过程可以用牛顿冷却定律描述：()w Q A t A T t αα=∆=− （1）式中 Q ——总传热速率，W ；α——对流传热膜系数，W/ m 2·K ；A——传热面积，m 2 ； T ——流体温度，K ；t w ——固体壁面温度，K 。

如果能够用实验直接测定流体温度T 和固体壁面温度t w ，,则可以根据式（1）的关系直接计算对流膜系数α ：()w Q Q A t A T t α==∆− （2）对于多数情况而言，直接测定固体壁面的温度是一件相当困难的任务，实验技术成本高且数据准确性差。