传热膜系数测定实验报告

北 京 化 工 大 学 化 工 原 理 实 验 报 告

实验名称： 对流给热系数测定实验 班 级： 姓 名：

学 号： 序 号： 同 组 人：

设备型号： 对流给热系数测定实验设备-第X 套 实验日期：

一、摘要

选用牛顿冷却定律作为对流传热实验的测试原理, 通过建立水蒸汽—空气传热系统，分别对普通管换热器和强化管换热器进行了对流传热实验研究。确定了在相应条件下冷流体对流传热膜系数的关联式。此实验方法可测出蒸汽冷凝膜系数和管内对流传热系数。本实验采用由风机、孔板流量计、蒸汽发生器等装置，空气走内管、蒸汽走环隙，用计算机在线采集与控制系统测量了孔板压降、进出口温度和两个壁温，计算传热膜系数α，并通过作图确定了传热膜系数准数关系式中的系数A 和指数m （n 取0.4），得到了半经验关联式。实验还通过在内管中加入混合器的办法强化了传热，并重新测定了α、A 和m 。

二、实验目的

1、掌握传热膜系数α及传热系数K 的测定方法；

2、通过实验掌握确定传热膜系数准数关系式中的系数A 和指数m 、n 的方法；

3、通过实验提高对准数关系式的理解，并分析影响α的因素，了解工程上强化传热的措施。

三、实验原理

热量的传递方式有传导、对流、辐射三种。流体流经固体表面的传热包含壁面薄层的热传导和主体的热对流，总称为对流给热。计算对流给热过程的热量Q 和热流密度q 等，通常需先确定给热系数α。

本实验以间壁式换热器中最简单的套管换热器为研究对象，令壳程走热水蒸汽，管程强制逆流走冷空气，跟据牛顿冷却定律可以测得圆管内空气一侧的给热系数α1。进一步可以将无因次准数Nu ，Re ，Pr 等按经验形式联系起来，并回归其中的参数A,a 。根据已知A,a 的通用关联式确定给热系数，也可达到一定的精度要求，是当前工程上确定α的重要方法。

牛顿冷却定律： Q

=α

⋅A ⋅∆t m 式中：

α——内表面给热系数，[W/(m²·℃)]； Q——传热量，[W]； A——总传热面积[m2²]；

Δtm ——管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，[℃]；

t 1——进口温度，[℃]；

t 2——出口温度，[℃]；

t w ,1——壁温，[℃]；

t w ,2——壁温，[℃]。

其中传热量 ，可由下式求得：

Q =W ⋅C p (t 2-t 1)/3600=ρ⋅V ⋅C p (t 2-t 1)/3600

式中：

W——质量流量，[kg/h]；

Cp——流体定压比热，[J/(kg·℃)]； t1、t2——流体进、出口温度[℃]； ρ——定性温度下流体密度，[kg/m3³]； V——流体体积流量，[m3³/h]。

通过测量Δp 、t1、t2、tw1、tw2，并根据定性温度（t1+t2）/2和设备尺寸计算Cp1、A1，即可确定α1。空气一侧的截面温度变化大于壁和水蒸气侧，测量t1、t2时，温度计要放在管道中心偏上位置且气体湍动程度足够，才能测出空气主体平均温度，否则误差很大。内外表面壁温差别很小，实验中将热电偶温度计焊接在管壁中心，测量出壁面温度tw1、tw2. 空气流量通过孔板流量计测得，计算方法如下： 测量点体积流量：

式中：Δp ——孔板流量计压降，kpa ；

3-1

q v ，1——空气流量，m ⋅h 。

强化传热（增加Q ）的方法有增加K 、A 和Δtm 。由于套管换热器内表面热阻1/α1 （≈1/102） 远远大于壁阻δ/λ铜

（

≈1/104）及外表面热阻1/α2（滴状冷凝且排除不凝气体等干扰，

，因此向套管内加入静态混合器，可以较大提高α1 ，明显增加K ，增加热流量≈1/104 ）

Q 。测量强化后的给热系数α1的方法以及回归参数A ’，a ’的关联式形式同上。强化Q 付出的代价是空气在管内流动的阻力损失增大，由于空气可压缩等原因，总能量损失除考虑机

械能减少外，还应考虑内能的减少等。

’

四、实验装置

本实验空气走内管，蒸汽走环隙（玻璃管）。内管为黄铜管，内径为0.020m ，有效长度为1.25m 。空气进、出口温度和管壁温度分别由铂电阻（Pt100）和热电偶测得。测量空气进出口温度的铂电阻应置于进出管的中心。测得管壁温度用一支铂电阻和一支热电偶分别固定在管外壁两端。孔板流量计的压差由压差传感器测得。

实验使用的蒸汽发生器由不锈钢材料制成，装有玻璃液位计，加热功率为1.5kw 。风机采用XGB 型漩涡气泵，最大压力17.50kpa ，最大流量100m3/h。

2、采集系统说明 （1）压力传感器

本实验装置采用ASCOM5320型压力传感器，其测量范围为0～20kpa 。 （2）显示仪表 在实验中所有温度和压差等参数均可由人工智能仪表直接读取，并实现数据的在线采集与控制，测量点分别为：孔板压降、进出口温度和两个壁温。

3、流程说明 本实验装置流程如下图所示，冷空气由风机输送，经孔板流量计计量后，进入换热器内管（铜管），并与套管环隙中的水蒸气换热，空气被加热后，排入大气。空气的流量由空气流量调节阀调节。蒸汽由蒸汽发生器上升进入套管环隙，与内管中冷空气换热后冷凝，再由回流管返回蒸汽发生器，用于消除端效应。铜管两端用塑料管与管路相连，用于消除热效应。

图1 套管式换热实验装置和流程

1、风机； 2、孔板流量计； 3、空气流量调节阀； 4、空气入口测温点； 5、空气出口测温点； 6、水蒸气入口壁温； 7、水蒸气出口壁温； 8、不凝气体放空阀； 9、冷凝水回流管； 10、蒸气发生器； 11、补水漏斗； 12、补水阀； 13、排水阀

五、实验操作

1、实验开始前，先弄清配电箱上各按钮与设备的对应关系，以便正确开启按钮。 2、检查蒸汽发生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/2～2/3。 3、打开总电源开关（红色按钮熄灭，绿色按钮亮，以下同）。

4、实验开始时，关闭蒸汽发生器补水阀，启动风机，并接通蒸汽发生器的加热电源，打开放气阀。 5、将空气流量控制在某一值。待仪表数值稳定后，记录数据，改变空气流量（8～10次），重复实验，记录数据。

6、实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，清理现场。

注意：

a 、实验前，务必使蒸汽发生器液位合适，液位过高，则水会溢入蒸汽套管；过低，则可能烧毁加热器。

b 、调节空气流量时，要做到心中有数，为保证湍流状态，孔板压差读数不应从0开始，最低不小于0.1kpa 。实验中要合理取点，以保证数据点均匀。 c 、切记每改变一个流量后，应等到读数稳定后再测取数据。

六、实验数据记录及处理

本实验内管内径为0.020m ，有效长度为1.25m 。

（一）空气强制湍流给热系数

对流给热系数测定实验——XXX

数据

计算举例（以第一组为例）：

∆p 孔板0.24

+∆p 管路=+0.41=0.53 kPa 测量点表压：p 测量点=22

测量点密度：ρ测量点=

测量点流量：

p 测量点绝压⋅M 空气

RT 测量点

=

（0.53+100）⨯1000⨯29-3

=1.190 k g ⋅m

8.314⨯（21.4+273.15）⨯1000

q v 测量点=C 0A ⨯3.14⨯10-43600=14.1m 3⋅h -1

工作点温度：t 工作点=

t 1+t 221.4+59.4

==40.4 ℃ 22

工作点表压：p 工作点=

∆p 管路0.41

==0.21 kPa 22

工作点密度：ρ工作点=

p 工作点绝压M 空气

RT 工作点

=

（0.21+100）⨯1000⨯29-3

=1.115 k g ⋅m

8.314⨯（40.4+273.15）⨯1000

工作点粘度、热导率、比热容均由纯物质化学性质查询软件查出 工作点流量：q v 工作点=

q v 测量点ρ测量点1.19⨯14.1==15.0 m 3⋅h -1

ρ工作点1.115

15⨯0.022

15

⨯1.002⨯103⨯(59.4-21.4) =177.2 W 3600

工作点气速：u =

q v 工作点

4

=

d 2

4

=13.3 m ⋅s -1

热流量：Q =q m c p (t 2-t 1) =1.115⨯对数平均温差：

∆t m =

(T W 1-t 2) -(T W 2-t 1) (100.4-0.5-59.4) -(100.4-0.5-21.4)

==57.4℃

W 12ln ln

100.4-0.5-21.4T W 2-t 1

给热系数：α1=努赛尔数：Nu =

Q 177.2

==40.9W ⋅m -2⋅℃-1 -2

A 1∆t m 7.54⨯10⨯57.4

α1d 40.9⨯0.02

==30.2 λ2.707⨯10-2

c p μ

1.002⨯103⨯1.918⨯10-5

==0.71 普朗特数：Pr =-2λ2.707⨯10

雷诺数：Re =

du ρ工作点

μ

=

0.02⨯13.3⨯1.115

=15454 -5

1.918⨯10

Nu /Pr 0.4=

30.2

=34.7 ， Nu /Pr 0.4理论值=0.023Re 0.8=0.023⨯154540.8=51.6 0.4

0.71

2. 空气强化传热给热系数实验数据（加入静态混合器）

蒸汽压力：1.00kPa ，=0.00kPa，=0.00kPa，A 1=7. 54⨯10-2m 2, ∆P ∆P 孔板压降，qv =0管路压降，qv =0壁温=100.3℃，C 0=0.62，A 0=3. 14⨯10-4m 2。

（二）空气强化传热给热系数

对流给热系数测定实验——XXX

对流给热系数测定实验——XXX

计算举例（以第一组为例）： 测量点表压：p 测量点=

∆p 孔板

2

+∆p 管路=

0.18

+1.23=1.32 kPa 2

测量点密度：ρ测量点=

测量点流量：

p 测量点绝压⋅M 空气

RT 测量点

=

（1.32+100）⨯1000⨯29-3

=1.157 k g ⋅m

8.314⨯（32.4+273.15）⨯1000

q v 测量点=C 0A ⨯3.14⨯10-4⨯

3600=12.4m 3⋅h -1

工作点温度：t 工作点=

t 1+t 232.4+70.5

==51.5 ℃ 22

∆p 管路

2

=

1.23

=0.62 kPa 2

工作点表压：p 工作点=

工作点密度：ρ工作点=

p 工作点绝压M 空气

RT 工作点

=

（0.18+100）⨯1000⨯29-3

=1.081 k g ⋅m

8.314⨯（51.5+273.15）⨯1000

工作点粘度、热导率、比热容均由纯物质化学性质查询软件查出 工作点流量：q v 工作点=

q v 测量点ρ测量点1.157⨯12.4==13.2 m 3⋅h -1

ρ工作点1.081

13.2⨯0.022

13.2

⨯1.003⨯103⨯(70.5-32.4) =151.8 W 3600

工作点气速：u =

q v 工作点

4

=

d 2

4

=11.7 m ⋅s -1

热流量：Q =q m c p (t 2-t 1) =1.081⨯对数平均温差：

∆t m =

(T W 1-t 2) -(T W 2-t 1) (100.4-0.5-70.5) -(100.4-0.5-32.4)

==45.8℃

T -t 100.4-0.5-70.5

ln ln W 12

100.4-0.5-32.4T W 2-t 1

Q 151.8

==43.9W ⋅m -2⋅℃-1 -2

A 1∆t m 7.54⨯10⨯45.8

给热系数：α1=

努赛尔数：Nu =

α1d 43.9⨯0.02

==31.5 -2λ2.785⨯10

c p μ

1.003⨯103⨯1.969⨯10-5

==0.709 普朗特数：Pr =λ2.785⨯10-2

雷诺数：Re=du ρ工作点μ=0.02⨯11.7⨯1.081=12849 1.969⨯10-5

31.50.40.80.8=36.2Nu /Pr 理论值=0.023Re =0.023⨯12849=44.5 ， 0.40.709

由以上数据可作出Nu/Pr^0.4 与Re 关系图，如下：

Nu /Pr 0.4=

※ 实验结果讨论※

（1）从图中可以看出，不管传热是否被强化，Nu/Pr～Re 关系曲线的线性都非常好，说明当流体无相变时，用量纲分析法推导出的对流传热准数关系式0.4Nu=ARem Pr n （在强制对流即忽略Gr 影响时）的准确性是很好的。

（2）从图中可以看出，在相同的雷诺数下，加混合器后的Nu/Pr0.4值比未加混合器时的大，因为Pr 和热导率λ在实验条件下变化很小，由Nu=αd/λ知，加混合器强化传热后，传热膜系数α变大。说明增大加热流体的湍动程度可以强化传热。

（3）实验中加入混合器后，空气的出口温度明显变高，但孔板压降则迅速降低，说明实验中，传热效果的提高是以增大流动阻力为代价的。

（4）由 及 可知，直线斜率即为雷诺数Re 的指数，而截距即为lgA, 将未强化时的Nu/Pr0.4～Re 的关系曲线进行拟合得α=0.0179；m=0.7959，与公认的关联式有一点偏差。

（5）将加混合器强化时的Nu/Pr0.4～Re 的关系曲线进行拟合得α=0.0297；m=0.7903。

七、思考题：

1、本实验中管壁温度应接近蒸汽温度还是空气温度？为什么？

答：接近蒸汽温度。管壁温度应接近于蒸汽温度。对于定态传热过程，Q=KA=α1A1(T-Tw)=

α2A2(t-tw)。实验过程中，铜管换热壁很薄且热导率很大，则可以近似的看做管壁两侧温度基本不变，即tw=Tw,上式可以简化成可知传热面两侧温差之比等于两侧热阻之比。因为水蒸气对流给热系数α1约为10000，空气的对流给热系数α2约为100，α1α2，则Tw 即壁温总是接近于热阻较小，即对流给热系数较大一侧流体的温度。因此管壁温度更接近于蒸汽温度。

2、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α的关联式有无影响？说明原因。 答：没有影响。假定流体仍被强制湍流且被加热，此时：Nu=A。其中Re=、Pr=。可知不同压强下蒸汽的流速、密度、温度、热容都不同，导致Re 、Pr 会有所不同。但是本实验采用的是量纲分析法，将各个物理量规划成无因次变量，即蒸气压强变化引起的流速、密度、温度、热容的变化会同时反应在雷诺数Re 、流量qv 、传热膜系数α、Nu 等数据上，可以得到不同Re 值下的Nu/Pr^0.4值，仍然可以进行关联。

3、结合实验数据，计算空气一侧的热阻占总热阻的百分数。

答：以第一组为例。由Q =K 2A 2∆t m ，其中Q=177.2W，A 2=0.1018m 2，∆t m =57.4℃，可

求出K 2=30.3W ⋅m 2⋅℃-1。空气一侧热阻占总热阻的百分数为

1

α1=⨯100%=74.1%。 K 230.31

4、设蒸汽温度恒定，换热器入口空气温度不变，当空气流量增大后，壁温和出口温度有什么变化？

答：蒸汽温度T 恒定，即蒸汽与冷空气交换的热流量Q 一定。由Q=qmcp2(t2-t1)=α1A1(T-Tw)

当流量增大、cp2、Q 恒定时，温差随着减小，在换热器入口温度不变的情况下，出口温度降低。传热系数α1与质量流量的0.8次方成正比，因而流速增大时，α1变大。Q 恒定，A1恒定，T 恒定，则壁温降低。

5、横向比较8套设备的强制对流给热实验数据，发现测量得到的

据Nu=0.023计算得到）小1020%,原因是什么？ 比经验值（根

答：（1）实验数据处理时，将空气当成理想气体来计算。而理论中空气与理想气体存在一定

的偏差，导致α1比经验值偏低。

（2）通入气体中的不凝性气体没有完全排出，降低传热效率。

（3）实际总的传热系数K 包括管外侧、内侧的污垢热阻以及管壁热阻，在实际计算中

都给忽略不计了，导致传热系数减小。