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实验五对流传热系数

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实验五 对流传热系数的测定 22 实验五 对流传热系数的测定

一、 实验目的 1． 学会对流传热系数的测定方法。 2． 测定空气在圆形直管内(或螺旋槽管内)的强制对流传热系数，并把数据整理成准数关联式，以检验通用的对流传热准数关联式。 3． 了解影响对流传热系数的因素和强化传热的途径。 二、实验内容

测定不同空气流量下空气和水蒸汽在套管换热器中的进、出口温度，求得空气在管内的对流传热系数。 三、基本原理

1．准数关联式 对流传热系数是研究传热过程及换热器性能的一个很重要的参数。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目的，这种传热过程是冷热流体通过固体壁面（传热元件）进行的热量交换，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。 由传热速率方程式知，单位时间、单位传热面所传递的热量为 q=K(T-t) （5—1） 而对流传热所传递的热量，对于冷热流体可由牛顿定律表示 q=h·(T-Tw1) （5—2） 或 q=c·(tw2-t) （5—3） 式中 q———传热量， W/m2； ———给热系数， W/m2· T———热流体温度， ℃； t———冷流体温度， ℃； Tw1、tw2———热、冷流体侧的壁温， ℃；

下标：c——冷侧 h——热侧。 由于对流传热过程十分复杂，影响因素极多，目前尚不能通过解析法得到对流传热系数的关系式，它必须由实验加以测定获得各影响因素与对流传热系数的定量关系。为了减少实验工作量，采用因次分析法将有关的影响因素无因次化处理后组成若干个无因次数群，从而获得描述对流传热过程的无因次方程。在此基础上组织实验，并经过数据处理得到相应的关系式，如流体在圆形（光滑）直管中做强制对流传热时传热系的变化规律可用如下准数关联式表示 Nu=CRemPrn (5—4) Ndu

 (5—5) 实验五 对流传热系数的测定 23 RdudwAe (5—6)

式中 Nu———努塞尔特准数；

Re———雷诺准数；

Pr———普兰特准数；

w———空气的质量流量， Kgs； d———热管内径， m； A———换热管截面积， m2； ———定性温度下空气的粘度， Pa·S； ———定性温度下空气的导热系数， W(m·℃)； ———对流传热系数， W(m2·℃)。 当流体被加热时，n=0.4；被冷却时，n=0.3。此式的适用范围：Re>10000，0.7

长与管径比Ldi60，低粘度的流体(<2倍常温下水的粘度)。计算各物理量的定性温度用

进出口温度的算术平均值。 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。因空气被加热，取n=0.4，则（5—4）式可简化为： NCRuem (C’=C·Prn=0.867C) （5—7）

对于螺旋槽管的准数关联式：NRue00040610175.. 2．对流传热系数的测定 在套管换热器中，环隙中通水蒸汽，内管管内通空气，水蒸冷凝放热加热空气，当传热达到稳定之后空气侧对流传热系数i与总传热系数K有以下关系：

oiK111

（5—8） 式中 ———管壁厚度， m； ———管壁材料的导热系数， W (m·℃)； i

———管内对流传热系数， W (m

2·℃)；

o

———管外对流传热系数， W (m

2·℃)。

因管内流动的是空气，管外流动的是水蒸汽，所以两侧污垢热阻可不计。式中为

黄铜管壁热传导的热阻，其中=0.001m，=377W (m·℃)，所以很小，10为蒸汽冷凝膜的热阻，10与1i相比很小可以忽略，所以Ki。 根据传热速率方程和热量衡算式有如下关系 QKStWCttmp

出进 (5—9) 实验五 对流传热系数的测定 24 其中 tTtTtTtTtm出进出进ln

式中 Q———传热速率， W； K———总传热系数， W (m2·℃)； W———空气的质量流量， Kgs； Cp———空气的平均比热， J(Kg·℃)；

t出———空气出口温度， ℃； t进———空气进口温度， ℃； t———对数平均温度差， ℃； T———蒸汽温度， ℃。 于是式(5—9)可改写成 Q=impstWCtt出进 （5—10）

从而得到管内空气对流传热系数的计算式 



ipmsp

m

WCttstVCttst出进出进

 (5—11)

式中 VS———空气的体积流量， m3s； ———流经流量计处空气密度， Kgm3。 所以当传热达到稳定后，用蒸汽温度可计算出tm，利用仪器测出各数据，就能计算出实测值i，从而整理出Nu准数与Re准数之间的函数关系，最后确定出式中的C与指数m。 3．Re与Nu的计算

RduVdVdesisi41274. （5—12）

式中 di———管内径， m；

———定性温度下空气的粘度， Pa·S；

Nduii

 （5—13）

式中 ———定性温度下空气的导热系数， W(m·℃)。 4．流量的测量和密度的计算

tRppa273760273293.1 (5—14)

式中 Pa———大气压强(可取当地大气压) mmHg

Rp———流量计前端被测介质表压强 mmHg

t———流量计前端被测介质温度(可取t=t进) ℃ 实验五 对流传热系数的测定 25 VVsogos 式中 V0———转子流量计的读数；

go

———标定转子时空气的密度；

s

———实际操作情况时气体密度。

四、实验装置及流程

1．实验流程 本实验有四套套管换热器组成，其中一套是螺旋槽管，另三套是光滑管。空气由风机输送，经转子流量计计量后送套管换热器内管换热后排向大气。蒸汽由蒸汽发生器经蒸汽调节阀送入套管换热器的套管环隙，不凝性气体由放气阀排出，冷凝水由排液阀排出。实验装置流程如图所示。

对流传热实验装置流程图 1． 蒸汽发生器 2．压力表 3．安全阀 4．套管换热器 5．仪表箱 6．U型管压差计 7．放气阀 8．转子流量计 9．旁通阀 10．气泵 11．冷凝水罐 12．温度显示仪 13．阀门

1 2 3 4 6 5

7

8 9 10 11

12 13 实验五 对流传热系数的测定

26 2．主要设备仪表规格 （1） 光滑管：di=17.8mm；螺旋槽管：Di=17.8mm；光滑管与螺旋槽管均为黄铜管，换热管长度均为1.224m； （2） 风机型号：D2—4型微音气泵； （3） 铜电阻：Cu50型； （4） 蒸汽发生器：用219×6mm不锈钢管制成，由2kW电加热棒加热，其中1kW为常加热，1kW由智能程序控温仪控制并显示其中温度； （5） 流量计：LZB—40空气转子流量计，范围：6~60m3/h。 五、实验方法

1． 把蒸汽发生器加蒸馏水至恒定水位，然后关闭蒸汽阀，打开总电源开关，给温控仪设定适当温度。 2． 待蒸汽发生器内温度接近设定温度时，打开蒸汽阀门，使蒸汽进入套管环隙，并打开放气阀排除不凝性气体。微开排液阀，以便冷凝水及时排除。 3． 打开空气旁通阀，开启风机，调节阀门使流量到指定刻度，待稳定后，记录数据 4． 改变空气流量，稳定后，读取数据。 5． 实验结束后，先关闭空气调节阀后关闭风机，最后关闭总电源开关。 6． 读大气压力计值，记录操作条件下大气压强值。 注意:实验过程中应及时排除不凝性气体和冷凝水。但在排放过程中，尽量不要影响实

验操作的稳定性。 六、实验报告

1． 在双对数坐标纸上以Nu为纵坐标，以Re为横坐标绘出Nu—Re曲线。 2． 整理出光滑管或螺旋槽管的Nu=CRem准数方程式。 3． 列出实验结果，写出典型数据的计算过程，分析和讨论实验现象。 七、思考题

1． 实验过程中，蒸汽温度改变对实验结果有什么影响？如何保持蒸汽温度恒定？ 2． 本实验中，空气与蒸汽流径能否改变？这样安排的优点是什么？ 3． 实验过程中，如何判断传热达到稳定？ 4． 蒸汽冷凝过程中不凝性气体存在对实验结果会有什么影响？应采取什么措施解决？

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第5章 对流传热理论与计算-5-实验关联式与自然对流

第5章 对流传热理论与计算-5-实验关联式与自然对流

39
六 计算中需要注意的问题
3 注意的问题
（1）判断问题的性质
这是正确求解对流传热问题的关键。流体有无发生相 变？是自然对流还是强制对流？内部流动还是外部流动？ 流态是层流还是湍流？
（2）选择正确的实验关联式
切忌张冠李戴，特别注意公式的适用范围，切不可随
意外推
40
六 计算中需要注意的问题


f w
0.14



2
33
（2） Hausen公式
若 Ref Prf
L /d
10时
Nuf

3.66

1
0.0668
0.04
Ref dL
Prf d L Ref Prf


2
3
可用于热入口段或混合段的层流对流传热
34
四 过渡区强迫对流传热的计算
过渡区：难以找到既简便又精确的计算公式
气体被加热时
气体被冷却时
c t

T T 0.55 fw
ct 1
对液体
m
c t



f w


m 0.11 液体受热时
m 0.25
液体被冷却时
24
引入修正系数ct来考虑不均匀物性场对换热的影响
Nu f

0.023
Ref0.8
Prfn
c t
气体被加热时
气体被冷却时
5.5 管内强迫对流传热的实验关联式
说明：
（1）管槽的含义：流动截面是圆形、椭圆形、正 方形、矩形、三角形等
（2）本节内容的重要性： ——指导工程计算的基础、给出的关联式是工程计算 的依据，必须掌握 ——考试的必考内容
对流传热系数的影响因素

对流传热系数的影响因素


L 60 di
定性温度：除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的 算术平均值。
2) 流体在圆形直管内作强制滞流 当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然对流对
强制滞流的传热的影响可以忽略时
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Nu

1.86Re
1 3
Pr
1 3

di L
1

3

w
0.1 4
的算术平均值。
当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算：
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管子呈正方形排列时： de

4
t2
0.785d02
d0
管子呈三角形排列时：
de

4
2 3
t
2


4
d
2 0

d 0
管外流速可以根据流体流过的最大截面积S计算
A hD1 d0 t
d) 蒸汽中不凝气体含量的影响 蒸汽中含有空气或其它不凝气体，壁面可能为气体层所遮
盖，增加了一层附加热阻，使α急剧下降。 e)冷凝壁面的影响
若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚，使传 热系数下降。
例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜 逐渐增厚，因此下面管子的α要比上排的为低。
冷凝面的表面情况对α影响也很大，若壁面粗糙不平或有 氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，α下降。
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2、液体沸腾时的对流传热系数
液体沸腾
大容积沸腾 管内沸腾
1）沸腾曲线 当温度差较小时，液体内部产生自然对流，α较小，且随
温度升高较慢。
当△t逐渐升高，在加热表面的局部位置产生气泡，该局 部位置称为气化核心。气泡产生的速度△t随上升而增加， α
化工原理实验之对流传热实验

化工原理实验之对流传热实验

化工原理实验之对流传热实验————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:ﻩ化工原理实验报告之传热实验学院学生姓名专业学号年级二Ο一五 年 十一月一、实验目的1.测定冷空气—热蒸汽在套管换热器中的总传热系数Ｋ; ２．测定空气或水在圆直管内强制对流给热系数；3.测定冷空气在不同的流量时,Ｎu 与Re 之间的关系曲线，拟合准数方程。

二、实验原理（1）冷空气-热蒸汽系统的传热速率方程为m t KA Q ∆=)ln(2121t t t t t m ∆∆∆-∆=∆，11t T t -=∆,22t T t -=∆ )(21t t C V Q p -=ρ式中，Q —单位时间内的传热量，W ;A —热蒸汽与冷空气之间的传热面积,2m ,dl A π=; m t ∆—热蒸汽与冷空气之间的平均温差,℃或K K —总传热系数,)℃/(2⋅m W ;d —换热器内管的内直径,d =２0m ｍ l —换热器长度,l ＝1．3m ；V —冷空气流量,s m /3；pC 、ρ—冷空气密度，3/m kg 空气比热，kg J /；21t t 、—冷空气进出换热器的温度，℃； T —热蒸汽的温度,℃。

实验通过测量热蒸汽的流量V,热蒸汽进、出换热器的温度T １和T 2 （由于热蒸汽温度恒定,故可直接使用热蒸汽在中间段的温度作为T),冷空气进出换热器的温度t １和ｔ2,即可测定K 。

(2)热蒸汽与冷空气的传热过程由热蒸汽对壁面的对流传热、间壁的固体热传导和壁面对冷空气的对流传热三种传热组成,其总热阻为:2211111d h d d bd h K m ++=λ 其中,21h h 、—热空气，冷空气的给热系数，)℃/(⋅m W ；21d d d m 、、—内管的内径、内外径的对数平均值、外径，m ； λ—内管材质的导热系数，)℃/(⋅m W 。

在大流量情况下,冷空气在夹套换热器壳程中处于强制湍流状态,h2较大,221d h d 值较小;λ较大,md dλ1值较小，可忽略，即 1h K ≈（３）流体在圆形直管中作强制对流时对管壁的给热系数关联式为n m C Nu Pr Re '=。

对流给热系数的测定(数据处理)

对流给热系数的测定(数据处理)

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，℃； 22112211ln )()()(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，℃；22112211ln )()()(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 。