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对流传热系数的测定陶虹 1120112863一、实验目的1、通过对传热系数a 准数关联系的测定，掌握实验方法，加深对流传热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 Pr 0.4 中常数A 、m 的值。
3、加深对由实验确定经验公式的量纲分析法的理解4、得出得出单一流体下的总传热系数K 。
二、实验的基本原理1、对流传热系数a i 的测定以蒸汽为加热介质走外管，空气为冷却介质走内管。
对流传热系数a I 可以根据牛顿冷却定律，通过用实验来测定。
由牛顿冷却定律：)(M W i T T S Q a -=式中：ai ——管内流体对流传热系数，W/(m2.℃);Q —传热速率，W;S —内管传热面积，㎡；Tw ——壁面平均温度，℃；Tm ——定性温度，℃。
传热面积计算公式：S=πdL 定性温度：221T T T M += 上式中：d —管内径，m;L —传热管测量段的实际长度，m;T1,T2——冷流体的入口、出口温度，℃。
传热速率)(21,T T C V Q P M M S -=ρ式中：M S V ,—冷流体在套管内的平均体积流量，m3/s;M ρ—冷流体的密度，kg/m3;P C —冷流体的定压比热容，J/(kg.℃)。
2、对流传热系数ai 准数关联式的确定流体在管内做强制湍流，准数关联式的形式为：Nu=ARemPrn在本实验条件下在管内被加热的空气，普兰特数Pr 变化不大，可近似为常数，则关联式的形式可简化为：Nu=A ’Rem所以仅有A ’，m 两个参数。
则两边取对数得：'lg Re lg lg A m Nu +=显然，上式中是一个线性方程，通过实验测定并计算得出一系列的Nu 和Re,即可在双对数坐标系中描绘出Nu —Re 直线，然后进行线性回归即可得出m,lgA ’,继而确定准数关联式 雷诺数：μπρμρπμρd V V ddu 4d 4Re 2=== 则努塞尔数：λad Nu =上式中λμ,分别为空气的粘度、流体的热导率（在定性温度Tm 下查出）三、实验装置图附图：空气-水蒸气传热综合实验装置流程图1、普通套管换热器；2、内插有螺旋线圈的强化套管换热器；3、蒸汽发生器；4、旋涡气泵；5、旁路调节阀；6、孔板流量计；7、风机出口温度（冷流体入口温度）测试点；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；14、蒸汽上升主管路；15、加水口；16、放水口；17、液位计；18、冷凝液回流口四、实验步骤：1、实验前准备，检查工作（1）向电加热釜中加水至液位计上端显示安全水位之上。
一、实验目的1. 了解对流传热的基本原理，掌握对流传热系数的测定方法。
2. 掌握牛顿冷却定律的应用，通过实验验证其对流传热系数的计算公式。
3. 分析影响对流传热系数的因素，如流体速度、温度差、流体性质等。
二、实验原理对流传热系数是指单位时间内，单位面积上流体温度差为1℃时，单位面积上传递的热量。
牛顿冷却定律描述了对流传热过程，即：Q = h A (T1 - T2)式中：Q ——传热量（W）h ——对流传热系数（W/(m²·K)）A ——传热面积（m²）T1 ——高温流体温度（℃）T2 ——低温流体温度（℃）根据牛顿冷却定律，可以通过实验测量传热量、传热面积、流体温度差，从而计算出对流传热系数。
三、实验仪器与材料1. 套管换热器2. 温度计3. 流量计4. 计时器5. 计算器6. 水和空气四、实验步骤1. 准备实验仪器，连接套管换热器、温度计、流量计等。
2. 在套管换热器内注入水，打开冷却水阀门，调节流量至预定值。
3. 在套管换热器外通入空气，调节风速至预定值。
4. 同时打开加热器和冷却水阀门，使水加热至预定温度，空气冷却至预定温度。
5. 记录开始加热和冷却的时间，观察温度变化。
6. 当温度变化稳定后，记录温度计的读数，计算温度差。
7. 关闭加热器和冷却水阀门，停止实验。
五、实验数据与处理1. 记录实验数据，包括水温度、空气温度、流量、时间等。
2. 根据牛顿冷却定律计算传热量Q：Q = m c ΔT其中，m为水的质量流量（kg/s），c为水的比热容（J/(kg·K)），ΔT为温度差（K）。
3. 计算对流传热系数h：h = Q / (A ΔT)六、实验结果与分析1. 根据实验数据，计算对流传热系数h，并与理论值进行比较。
2. 分析实验结果，探讨影响对流传热系数的因素。
3. 分析实验误差，总结实验经验。
七、结论通过对对流传热系数的测定实验，掌握了对流传热的基本原理和牛顿冷却定律的应用。
一、实验目的1. 理解对流传热的基本原理和影响因素。
2. 掌握对流传热系数的测定方法。
3. 通过实验，验证对流传热理论，并分析实验数据。
二、实验原理对流传热是指流体（如气体或液体）在流动过程中，由于流体各部分之间的温度差异而引起的热量传递。
对流传热系数是描述对流传热能力的一个重要参数，其数值越大，对流传热能力越强。
实验中，采用套管换热器作为对流传热的实验装置，以环隙内流动的饱和水蒸汽加热管内空气。
水蒸汽和空气间的传热过程由三个传热环节组成：水蒸汽在管外壁的冷凝传热，管壁的热传导以及管内空气对管内壁的对流传热。
对流传热系数α可以通过以下公式计算：α = (Q/A) / (ΔT/L)其中，Q为管内传热速率，W；A为管内换热面积，m²；ΔT为管内流体进出口温度差，℃；L为管长，m。
三、实验器材1. 套管换热器：内管为紫铜管，外管为不锈钢管。
2. 水蒸汽发生器：用于产生饱和水蒸汽。
3. 空气压缩机：用于产生压缩空气。
4. 温度计：用于测量流体进出口温度。
5. 流量计：用于测量流体流量。
6. 计时器：用于记录实验时间。
四、实验操作（步骤）1. 将套管换热器安装在实验装置上，连接好水蒸汽发生器和空气压缩机。
2. 调节水蒸汽发生器和空气压缩机的参数，确保实验过程中流体流量稳定。
3. 测量并记录流体进出口温度、流量和管长等参数。
4. 开启水蒸汽发生器和空气压缩机，启动实验装置。
5. 在实验过程中，定时测量并记录流体进出口温度、流量和管长等参数。
6. 停止实验，整理实验数据。
五、数据记录与整理根据实验步骤，记录以下数据：1. 管内径di（m）2. 管长Li（m）3. 冷流体（空气）入口温度t1（℃）4. 冷流体（空气）出口温度t2（℃）5. 热流体（水蒸汽）温度（℃）6. 流量（m³/h）7. 时间（min）根据实验数据，计算对流传热系数α：α = (Q/A) / (ΔT/L)其中，Q为管内传热速率，W；A为管内换热面积，m²；ΔT为管内流体进出口温度差，℃；L为管长，m。
第五章对流换热分析通过本章的学习，读者应熟练掌握对流换热的机理及其影响因素，边界层概念及其应用，以及在相似理论指导下的实验研究方法，进一步提出针对具体换热过程的强化传热措施。
5.1 内容提要及要求5.1.1 对流换热概述1．定义及特性对流换热指流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。
在对流换热过程中，流体内部的导热与对流同时起作用。
牛顿冷却公式q h(t w t f ) 是计算对流换热量的基本公式，但它仅仅是对流换热表面传热系数h 的定义式。
研究对流换热的目的是揭示表面传热系数与影响对流换热过程相关因素之间的内在关系，并能定量计算不同形式对流换热问题的表面传热系数及对流换热量。
2．影响对流换热的因素（1）流动的起因：流体因各部分温度不同而引起密度差异所产生的流动称为自然对流，而流体因外力作用所产生的流动称为受迫对流，通常其表面传热系数较高。
（2）流动的状态：流体在壁面上流动存在着层流和紊流两种流态。
（3）流体的热物理性质：流态的热物性主要指比热容、导热系数、密度、粘度等，它们因种类、温度、压力而变化。
（4）流体的相变：冷凝和沸腾是两种最常见的相变换热。
（5）换热表面几何因素：换热表面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度直接影响着流体和壁面之间的对流换热。
综上所述，可知表面传热系数是如下参数的函数h f u, t w , t f , , c p , ,,, l这说明表征对流换热的表面传热系数是一个复杂的过程量，不同的换热过程可能千差万别。
3．分析求解对流换热问题分析求解对流换热问题的实质是获得流体内的温度分布和速度分布，尤其是近壁处流体内的温度分布和速度分布，因为在对流换热问题中“流动与换热是密不可分”的。
同时，分析求解的前提是给出正确地描述问题的数学模型。
在已知流体内的温度分布后，可按如下的对流换热微分方程获得壁面局部的表面传热系数由上式可有h xtt x yW/(m 2 K)w,x其中为过余温度，h xxyW/(m 2 K)w,x对流换热问题的边界条件有两类，第一类为壁温边界条件，即壁温分布为已知，待求的是流体的壁面法向温度梯度；第二类为热流边界条件，即已知壁面热流密度，待求的是壁温。
传热实验指导书
具有对流换热条件的
伸展体传热特性实验
上 海 交 通 大 学
机械与动力工程学院
教学实验中心
二OO四年五月
具有对流换热条件的伸展体传热特性实验
1
具有对流换热条件的伸展体传热特性实验
工程中有许多热量沿着细长突出物传递的问题。它的基本特征是：某种细长形状的物体，
从某温度的基面伸向与其温度不同的流动介质中，热量从基面沿着突出方向传递的同时，还
通过表面与流体进行对流换热。因而沿突出物的伸展方向温度也相应地变化。
本实验是测量一等截面的伸展体，在与流体间进行对流换热的条件下，沿伸展体的温度
变化。
一、实验目的及要求
通过实验和对实验数据的分析，深入了解伸展体传热的特性，并掌握求介质具有对流换
热条件的伸展体传热特性的方法。
二、基本原理
具有对流换热的等截面伸展体，当长度与截面之比很大时(常物性)其微分方程式为：
2
2
2
d
0dm
x
θ
θ
−=
(1.1)
式中：m——系数，fumλα=；
θ ——过余温度，θ
= t – t
f
，℃；
t ——伸展体温度，℃；tf ——伸展体周围介质的温度，℃；
α
——空气对壁面的换热系数，W/(m
2
·℃)；
u——伸展体周长。本实验中u=πd
0
，m；
f——伸展体横截面积，本试件为
)(42120ddf−=
π
m2
伸展体内的温度分布规律，由边界条件和m值定。
三、实验装置及测量系统
本实验装置由风道、风机、实验元件、主付加热器、测温热电偶等组成。详见装置系统
图1-1。
上海交通大学机械与动力工程学院教学实验中心
2
试件是一紫铜管，放置在一风道中，由风机和风道造成空气均匀地横向流过管子表面的
对流换热条件。管子表面各处的换热系数基本上是相同的。管子两端装有加热器，以维持两
端处于所要求的温度状况。这样就构成了一个两端处于某温度的、中间具有对流换热条件的
等截面伸展体。
管子两端的加热器，通过调压变压器来控制其功率，以达到控制两端温度的目的。
为了改变空气对管壁的换热系数，风机的工作电压亦相应地可作调整，以改变空气流过
管子表面时的速度。
为了测量铜管沿管长的温度分布，在管内安装有可移动的热电偶测温头，其冷端就放置
在空气流中，采用的是铜-康铜热电偶。这样通过UJ−36电位差计测出的热电势，就反映了管
子各截面的过余温度。其相应的位置由带动热电偶测温头的滑动块在标尺上读出。
试件的基本参数：
管子外径d
0= 管子内径d1
=
管子长度L= 管子导热系数λ=
四、完成本实验的具体做法
1. 解方程0dd222=−θθmx
截面积为f，周长为U的等截面体，其导热系数为λ，W/(m·℃)，两端分别与相距L的两大
平壁相连接，平壁保持定温t
w1和tw2，园棒与空气接触，空气温度为tf（设tw1＞tf＜tw2
＝，棒与
空气的对流换热系数为α，W/(
m
2
·
℃
)，见图1-2，求：
(1) 棒沿x方向的过余温度
θ = t – tf 分布是：θ =θ
(x)；
(2) 分析沿x方向，棒的温度分布曲线的可能形状。分析各参数：L、U、f、λ、α、t
w1
、
t
w2、tf
对温度分布的影响；
(3) 棒的最低温度截面的位置表达式(当0＜x＜L存在最低温度值时＝；
(4) 棒两端由壁导入的热量Q
1及Q2
。
2. 练习
直径为25mm，长为300mm的钢棒[
λ
=50W/(m·℃)]，两端分别与大平壁相连接。平壁保
持定温t
w1=200℃，tw2=150℃，钢棒向四周空气散热，空气温度为tf
=20℃，对流换热系数为
1. 风机；2. 风道；3. 等截面伸展体；4. 主加热器；5. 测温热电偶；6.付加热器；
7. 热电偶拉杆及标尺； 8. 热电偶冷端；9. 电位差计； 10. 电压表；11. 风机变速开关；12. 调压变压器
图1-1 伸展体传热特性实验装置及测量系统图
图1-2
具有对流换热条件的伸展体传热特性实验
3
α
=20 W/(
m
2
·
℃
)。
(1) 计算温度分布；
(2) 求棒的最低温度点的位置及其温度值，绘出该棒的温度分布曲线；
(3) 求棒向空气的散热量；
(4) 分别求出壁面1和壁面2导入棒的导热量；
(5) 在t
w2
为什么值时，壁面2为绝热面？并画出温度分布曲线。求每小时散入空气的热量；
以上二项要求在进行实验前完成。
3. 实验要求：
(1) 测出一定条件下，导体内不同截面的过余温度值；
(2) 用测得的不同x位置过余温度θ数据求出实验条件m值及α值；
(3) 根据实验条件，求得的m值，用分析公式计算过余温度分布，过余温度最低值处的位
置及其值，并于实测结果比较。
五、实验报告要求及注意事项
1. 实验报告要求：
通过理论分析与实验实测，总结对具有对流换热表面的伸展体传热特性的认识。可以包
括具体作法中（1）（3）的基本内容。
2. 注意事项
(1) 调整加热器功率时须注意两端温度不要过高，以免烧坏测温部件。加热电压一般取V
＜100伏为宜。
(2) 实验结束后，先将调压变压器输出调到零，待试件降温至常温后再关掉风机，以免
损坏实验装置。
上海交通大学机械与动力工程学院教学实验中心
4
采用数据采集的伸展体传热特性实验指导书
由于实验台沿管长温度分布的测量方法，已由原来依靠管内可移动热电偶测温头配以电
位差计进行逐点测量，改为沿管长均布8对固定热电偶，并用HP34970A数据自动采集系统测
量，因此实验步骤相应作如下改动：
1．检查实验的准备工作：
（1）检查热电偶信号线在采集单元功能插板（HP34901A）上是否接受（管子上8对热
电偶接在HP34601A的第1到第8通道上，进风口中热电偶接在第9通道上，而HP34901A插板
则必须插在第二槽道，因此该9对热电偶对应的通道号为201到209）。
（2）检查调压变压器电源线及变压器与实验台间的电线是否连妥。调压变压器指针应
退到零位。
（3）检查计算机和HP34970A采集单元的电源线及两者之间的接口电缆是否接妥。
2．接通调压变压器电源，小风机即开始运转，调节两调压变压器，使实验台上左右两
电压表达到适当的电压值。
3．开启HP34970A采集单元，观察各个通道面板显示值是否正常。
4．开启计算机，进到C盘（或D盘），找到“传热实验”文件夹图标，用鼠标左键双击该
图标进入文件夹，找到“伸展体导热实验”图标，双击图标即可运行伸展体实验程序：
（1）首先出现标题屏幕（要求输入姓名、班级及学号），按要求输入后按开始钮，进入
“实验引导”屏幕。
（2）“实验引导”屏幕要求检查各项准备工作，确认各项实验准备工作已经就绪后，按
结束钮，进入测量屏幕，测量屏幕上有四个按钮：测量、存Excel、画图、退出。
（3）待工况稳定后，按测量钮，HP34970A采集单元即对各通道进行多次扫描并算出各
通道数据的平均值，完成采集后屏幕上出现“Scan completed”提示，按确认钮后再按存Excal
钮，各通道的平均数据将存入Excel，按屏幕底部任务栏中的测量钮，又回到“测量”屏幕，
可按画图钮，屏幕出现实测数据及按数值解法画出的温度分布曲线。至此，实验已完成，在
退出实验前，应回到Excel屏幕（按底部任务栏中“Micro…”钮），抄录实验所得的各点温度
值，以备写实验报告时用来做数值解法，画出温度分布曲线，与实验值作比较。
（4）按底部任务栏中测量钮回到“测量”屏幕，按退出钮，可退出实验程序。
