对流传热系数的测定

实验报告

课程名称：过程工程原理实验（甲）Ⅰ指导老师：成绩：

实验名称：对流传热系数的测定同组学生姓名：

一、实验目的和要求

1.掌握空气在传热管内对流传热系数的测定方法，了解影响传热系数的因素和强化传热的途径。

2.把测得的数据整理成n

Nu形式的准数方程，并与公认式进行比较。

ARe

=

3.了解温度、加热功率、空气流量的自动控制原理和使用方法。

二、实验装置与流程

本实验流程图如下图1、2所示，实验装置由蒸汽发生器、孔板流量计（变送器）、变频器、套管换热器（强化管和普通管）及温度传感器、智能显示仪表等构成。

空气-水蒸气换热流程：来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器的壳程，与被风机抽进的空气进行换热交换，不凝气或未冷凝蒸汽通过阀门（F3和F4）排出，冷凝水经排出阀（F5和F6）排入盛水杯。空气由风机提供，流量通过变频器改变风机转速达到自动控制，空气经孔板流量计进入套管换热器的管程，热交换后从风机出口排出。

注意：普通管和强化管的选取：在实验装置上是通过阀门（F1和F2）进行切换，仪表柜上通过旋钮进行切换，电脑界面上通过鼠标选取，三者必须统一。

图1 横管对流传热系数测定实验装置流程图

图2 竖管对流传热系数测定实验装置流程图

图中符号说明见下表所示

三、实验内容和原理

在工业生产过程中，大量情况下，采用间壁式换热方式进行换热。所谓间壁式换热，就是冷、热两种流体之间有一固体壁面，两流体分别在固体壁面的两侧流动，两流体不直接接触，通过固体壁面（传热元件）进行热量交换。

本装置主要研究汽—气综合换热，包括普通管和加强管。其中，水蒸汽和空气通过紫铜管间接换热，空气走紫铜管内，水蒸汽走紫铜管外，采用逆流换热。所谓加强管，是在紫铜管内加了弹簧，增大了绝对粗糙度，进而增大了空气流动的湍流程度，使换热效果更明显。

3.1 间壁式传热基本原理

如图3所示，间壁式传热过程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。

T

t

图1间壁式传热过程示意图

图3 间壁式传热过程示意图

间壁式传热元件，在传热过程达到稳态后，有

热流体与固体壁面的对数平均温差可由（2）式计算：

固体壁面与冷流体的对数平均温差可由（3）式计算：

热、冷流体间的对数平均温差可由（4）式计算：

式中：Q ——传热量，s J /；

1m 、2m ——分别为热流体、冷流体的质量流量，s kg /； 1p c 、2p c ——分别为定性温度下热流体、冷流体的比热，()C kg J ︒∙/；

1T 、2T ——分别为热流体的进、出口温度，C ︒； 1t 、2t ——分别为冷流体的进、出口温度，C ︒； 1α、2α——分别为热流体、冷流体与固体壁面的对流传热系数，(

)

C m W ︒∙2

/；

1A 、2A ——分别为热流体、冷流体测的传热面积，2

m ； ()M W

T T -、()m w t t -——分别为热流体、冷流体与固体壁面的对数平均温差，C ︒；

K ——以传热面积A 为基准的总传热系数，(

)

C m W ︒∙2

/； A ——平均传热面积，2m ；

m t ∆——冷、热流体的对数平均温差，C ︒。

本实验的强化管或普通管换热，热流体是蒸汽，冷流体是空气 3.2空气流量的测定

空气在无纸记录仪上显示的体积流量，与空气流过孔板时的密度有关，考虑到实际过程中，空气的进口温度不是定值，为了处理上的方便，无纸记录仪上显示的体积流量是将孔板处的空气密度ρ0当作1kg/m 3时的读数，因此，如果空气实际密度不等于该值，则空气的实际体积流量应按下式进行校正：

'ρV

V =

（5）

空气质量流量m ：0'ρV m = （6） 式中：'V ——空气实际体积流量，s m /3

；

V ——无纸记录仪上显示的空气的体积流量，s m /3。

0ρ——空气在孔板处的密度，3

/m kg 。本实验中0ρ即为空气在进口温度t1下对应的密度。

3.3空气在传热管内对流传热系数α的测定 3.3.1牛顿冷却定律法

在本装置的套管加热器中，环隙内通水蒸气，紫铜管内通空气，水蒸气在紫铜管表面冷凝放热而加热空气。在传热过程达到稳定后，空气作为冷流体，空气侧传热由式（1）可得：

()()m W t t A t t mc -=-α12 （7）

即

()()m

W t t A t t mc --=

12α （8）

1

W t 和

2

W t 分别是换热管空气进口处的内壁温度和空气出口处的内壁温度，当内管材料

导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度较小时，可认为11W W t T ≈及22W W t T ≈， 1W T 和2

W T 分别是空气进口处的换热管外壁温度（T3和T6）和空气出口处的换热管外壁温度（T2和T5），见流程图。

一般情况下，直接测量固体壁面温度，尤其是管内壁温度，实验技术难度较大，因此，工程上也常采用通过测量相对较易测定的流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流传热系数。

下面介绍其他两种测定对流传热系数α的实验方法（3.3.2和 3.3.3）。 3.3.2近似法

以管内壁面积为基准的总传热系数与对流传热系数间的关系为：

112121'221

1d d d d R d bd R K S m

S αλα++++= （9） 式中：1d 、2d ——分别为换热管的外径、内径，m ； m d ——换热管的对数平均直径，m ； b ——换热管的壁厚，m ；

'λ——换热管材料的导热系数，()C m W ︒∙/；

1S R 、2S R ——分别为换热管外侧、内侧的污垢热阻，W K m /2∙。

总传热系数K 可由式（1）求得：

()m

p m t A t t c m t A Q

K ∆-=

∆=

1222 （10） 用本装置进行实验时，管内空气与管壁间的对流传热系数2α约为几十到几百W /m2∙ K ；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数α1可达~104W/ m2∙ K 左右，因此冷凝传热热阻

1

12

d d α可忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻1

2

1

d d R S 也可忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数'

λ为383.8W/m∙ K ，壁厚为1.5mm ，因此换热管壁的导热热

阻m

d bd '2λ可忽略。若换热管内侧的污垢热阻R S2也忽略不计，则由式（9）得，

K ≈α （11）

由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法测得的α的准确性就越高。

3.3.3简易Wilson 图解法

空气和蒸汽在套管换热器中换热，空气在套管内被套管环隙中的蒸汽加热，当管内空气做充分湍流时，空气侧强制对流传热系数可表示为

8

.0Cu

=α （12）

将式（12）代入式（9），得到：

1

12121228.01

1d d d d R d bd R Cu K S m S αλ++++= （13） 依据3.3.2的分析，式（13）右侧后三项在本实验条件下可认为是常数，则由式（13）

可得：