综合传热系数的测定实验

实验1综合传热系数的测定实验
一、实验目的
1．了解间壁式传热元件的结构。

2．了解观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象，并判断冷凝类型。

3．通过对内管是光滑管的空气—水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握空气在圆形光滑直管中强制对流传热系数的测定的实验方法，加深对其概念和影响因素的理解。

确定关联式Nu=Are m Pr0.4中常数A、m的值。

4．掌握传热系数测定的实验数据处理方法。

5．掌握孔板流量计的使用。

6．掌握DC-3A微音气泵的使用。

二、实验内容及基本原理
（一）实验内容
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．测定不同流速下简单套管换热器的对流传热系数α。

3．对实验数据通过Excel进行处理，求关联式Nu=A·Re m Pr0.4中常数A、m的值；并绘制曲线。

4．实验原始记录
光滑管记录：
5．实验数据处理与分析
数据处理
光滑管：实验结果列表和作图：
（二）实验原理
1．准数方程
空气在圆形直管中作湍流流动的给热准数方程：
），，，d
l
Gr f Nu Pr (Re 1= （1-1） 式中
l —为管长，m ； d —为管径，m ；
强制对流时，G r 可忽略；对气体而言，原子数相同（如单原子、双原子…）的气体Pr 为一常数，当50>d
l 其影响亦可忽略，故上式可写为：
(Re)f N u = （1-2） 一般可写成
m u A N Re = （1-3）
其中A 为常数，λ
αd Nu =
，
μρdu =Re 。

2．准数方程中各参数的测定和计算
（1）α值的计算：空气传热膜系数α可以通过测定总传热系数（K ）进行测取。

K 与α有下列关系：
2
1
11αλδα+
+=s K （1-4） 因管壁很薄，可将圆壁看成平壁。

这里因是空气，故不计污垢热阻，上式中s
λδ为黄铜管壁热传导的热阻，壁厚0.001米，
黄铜导热系数λs =377(W/m·k)， 故δ/λs =2.7×10-6
；1/α2为蒸气冷凝膜的热阻，α2=2×104
，故
1/α2=5×10-5，空气传热膜系数α在100上下，热阻1/α=1×10-2
，对比之下，上述两项热阻均可忽略，即K ≈α。

其测定方法可用牛顿冷却定律进行：
m t S K Q ∆⋅⋅= （1-5） ()进出t t c V Q p s -ρ= （1-6）
m
p s t S t t c V K ∆⋅=
≈)
-(进出ρα （1-7）
式中：V s —空气体积流量，m 3/s （由流量计测取） ρ—流经流量计处的空气密度，kg/m 3；
c p —空气定压比热[J/kg·K]（可取于空气在101.3kPa 下的数值）； t 进、t 出—空气进、出口温度，℃； S —换热面积，m 2，S = πdl 。

本实验主要热阻在空气一侧，故d 值取管内径较为合理。

()()()()()()()
出进进出出进出进t T t T t t t T t T t T t T t m --ln ---ln
---==
∆ （1-8）
T —蒸汽温度，℃
（2）Nu 和R e 的计算
μπρμρ24
Re d dV du s =
= （1-9） m p s t S t t c dV dK d Nu ∆=≈=λρλλα)-(进出 （1-10）
d —管内径（m ）；
μ—管内介质粘度，Pa·s 。

因常压附近压强变化对空气粘度影响甚微，故可取压强为101.3kPa 时的数值。

λ—空气导热系数，W/m ℃，亦可取101.3kPa 时的数值。

在t 定=40~80o 范围内可用式（1-11）计算λ：
)002491.0(024943.0定
t e =λ （1-11）
（3）流量测量和密度的计算： 孔板流量计出厂试验时给定：
ρ/0003921.0R V s = （1-12） 式1-12中：R —流量计指示仪表（压差表）示值（Pa ）； ρ—流经流量计处的空气密度，kg /m 3； 所以空气的质量流量为：
()kg/s 0003921.0ρρ⋅=R V s （1-13） 密度的计算可按理想气体定律进行：
t
R P t R P P
a
P a ++⨯=++⨯⨯=2734645.02733.101273293.1ρ （1-14） 式中：P a ——大气压强，kPa ，可取当地全年平均大气压强计算；
R p ——流量计前端被测介质表压强，kPa ； t ——流量计前介质温度，℃，可取t = t 进。

（4）温度测量：本装置装有热电偶测量温度。

热电偶出厂时经过检验，误差约为±0.2℃。

三、实验用仪器与设备
l -2综合传热实验装置
疏水阀
温度巡检仪
风机
温度巡检仪
图1 2型传热实验装置示意简图
蒸汽发生器
流量调节阀
孔板流量计
压差计变送器
四、实验方法与步骤
1．实验准备工作：
（1）向电加热釜加水至液位计上端红线处。

（2）检察管路阀门及电器开关，打开进风阀门（光滑管侧），开起鼓风机，鼓风机挡位控制在2-2.5之间，孔板压差计读数控制在100Pa ；孔板压差表读数不得超过800Pa ，计前表读数不得超过10KPa 。

（3）开启风机时冷风进口阀（光滑管侧）和旁路调节必须全开，否则风机容易烧掉。

（4）启动电加热器开关开始加热，保证蒸汽上升管线的畅通，光滑管侧蒸汽进口阀全开，温控仪应把温度控制在115~120℃，达到设定温度时，关闭加热1；可以开始实验。

2．测定操作：打开蒸汽排气阀门（注意：开启蒸汽排气阀时设备背面应没人），排出一定量蒸汽，时间约1分钟(目的排放不凝气体)。

调节孔板流量计R 值约为200左右，稳定一段时间（5-10分钟）后，待系统稳定后，开始读取蒸汽温度T 、t 进、t 出、t 壁，孔板流量表R 值及孔前表压Rp ，将这些数据记录在实验记录表上，然后改变孔板流量R 值，再测取以上数据记录，R 值在200~700之间由小到大依次做5组数据，然后再计算整理结果。

在实验过程中，经常检查加热釜中水位是否在正常范围内，发现水位过低，应及时补充水；设备背面始终不要站人。

3．关闭光滑管侧蒸汽进口阀及出口阀。

冷却一段时间后全开风机旁路阀，关闭光滑管进风阀，开启螺纹管侧进风阀，调节孔板流量计R 值约为100左右，全开螺纹管侧蒸汽进口阀，全开螺纹管侧蒸汽出口阀，打开蒸汽排气阀门（注意：开启蒸汽排气阀时设备背面应没人），排出一定量蒸汽，时间约1分钟(目的排放不凝气体)。

稳定后，调节旁路阀改变孔R 值约为200，热平衡读取数据（蒸汽温度T 、t 进、t 出、t 壁，孔板流量表R 值及孔前表压Rp ）记录；孔板流量R 值200~700间读取5组数据。

在实验过程中，经常检查加热釜中水位是否在正常范围内，发现水位过低，应及时补充水；设备背面始终不要站人。

3．实验结束后：
（1）实验结束后，关闭加热开关。

（2）关闭两个蒸汽进口阀门。

（3）将光滑管的冷风进口阀门、蒸汽排气阀门打开，并将风机挡位调至4处。

(此时应拔掉孔板压差表、计前表与风管俄连接胶管，以防压差传感器超量程击穿)。

（4）进行风冷管路1小时，关闭整个传热系统电源。

五、实验准备及预习要求
1．实验前熟悉孔板流量计及DC-3A微音气泵的使用。

2．预习实验原理、实验内容及实验步骤，写出实验预习报告，绘制实验记录表。

六、实验注意事项
1．孔板压差计读数不得超过800Pa，计前表读数不得超过10KPa。

2．在实验过程中，设备背面始终不要站人。

3．一定要达到热平衡后读数。

4．实验结束后，大风量风冷管路的时间一定要充足；此时应拔掉孔板压差表、计前表与风管俄连接胶管，以防压差传感器超量程击穿。

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?
2．实验过程中，冷凝水如不及时排走会产生什么影响?。