实验四 强制对流下空气传热膜系数的测定

实验四 强制对流下空气传热膜系数的测定实验
一、实验目的
1. 了解间壁式传热装置的研究和给热系数测定的实验组织方法；
2. 掌握借助于热电偶测量壁温的方法；
3. 学会给热系数测定的试验数据处理方法；
4. 了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。

二、实验内容
1、测定5—6组不同流速下，套管换热器的总传热系数K 和空气的对流传热系数αc 。

2、对αc 的实验数据进行多元线形回归，求准数关联式Nu=ARe m Pr n
中常数A ，m 。

三、基本原理（简述）
1、传热系数K 的理论研究
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。

这种传热过程系冷、热流体通过固体壁面进行热量交换。

它是由热流体对固体壁面的对流给热，固体壁面的热传导和固体对冷流体的对流给热三个传热过程所组成。

如图1所示。

Q=()t T KA - （1）
而对流给热所传递的热量，对于冷、热流体均可表示为
Q 1=()1w h h t T A -α （2） 或 Q 2=()t t A w c c -2α （3） 图1传热过程示意图 图2传热解析图
对固体壁面由热传导所传递的热量，则由傅立叶定律表示为：
Q 3()21w w m
t t A -⋅=
δ
λ （4） 由热量平衡及忽略热损失后（即Q=Q 1=Q 2=Q 3），可将（2）（3）（4）式写成如下等式：
Q=
KA
t
T A t t A t t A t T c c w m w w h h w 1112211-=-=-=-αλδα （5） 所以 c
c m h h A A A K αλδα1
11
+
+=
（6）
()
22222111111,,,,,,,,,,,,u c u c d f K p p λμρδλλμρ==()5,2,6f （7）
从上式可知，除固体的导热系数和壁厚对传热过程的传热性能有影响外，影响传热过程的参数还有12个，这不利于对传热过程作整体研究。

根据因次分析方法和π定理，热量传递范畴基本因次有四个：[L],[M],[T],[t] ,壁面的导热热阻与对流给热热阻相比可以忽略
K ≈()21,ααf （8）
要研究上式的因果关系，尚有π=13-4=9个无因次数群，即由正交网络法每个水平变化10次，实验
工作量将有108
次实验，为了解决如此无法想象的实验工作量，过程分解和过程合成法由此诞生。

该方法的基本处理过程是将(7)式研究的对象分解成两个子过程如(8)式所示，分别对21,αα进行研究，之后再将21,αα合并，总体分析对K 的影响，这有利于了解影响传热系数的因素和强化传热的途径。

当1α＞＞2α时，2α≈K ，反之当1α＜＜2α时，1α≈K 。

欲提高K 设法强化给热系数小的一侧α，由于设备结构和流体已定，从(9)式可知，只要温度变化不大，1α只随1u 而变，
()1111111,,,,,λμραp c u d f = (9)改变1u 的简单方法是
改变阀门的开度，这就是实验研究的操作变量。

同时它提示了欲提高K 只要强化α小的那侧流体的u 。

而流体u 的提高有两种方法： （１） 增加流体的流量；
（２） 在流体通道中设置绕流内构件，导致强化给热系数。

由(9)式，π定理告诉我们，π=７－４＝３个无因次数群，即：
()1111111,,,,,λμραp c u d f =⇒
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=λμμ
ρλαp c du f d
, (10) 经无因次处理，得 Re Pr m
n
Nu A = (11)
2、传热系数K 和α的实验测定
实验装置的建立（参见图2）依据如下热量恒算式和传热速率方程式，它是将(5)和(6)式联立, 则：KA ∆t m = W c ρc C pc (t 2-t 1) (12) 其中 1
2211221ln
)
()(t T t T t T t T t m -----=
∆ (13)
m
pc c c t A t t C W K ∆-=
)
(12ρ (14)
()()
1212t t c W t A t t c W t A pc c c mh h h pc c c mc c c -=∆-=∆ραρα
其中： 2
2
1t t t t w mc +-
=∆ (15) w mh T T t -=∆ (16)
若实验物系选定水蒸汽（G ）与冷空气（g ）,由(8)、(9)式告诉我们,实验装置中需要确定的参数和安装的仪表有：
A-------------由换热器的结构参数而定（传热面积）；
W c ------------测冷流体的流量计；
t 1、t 2---------测冷流体的进、出口温度计； T -------------测热流体的进、出口温度计；
C pc ------------由冷流体的进、出口平均温度决定；
、tw Tw ,---壁温，由热电偶温度计测定。

将以上仪表、换热器、气源、及管件阀门等部件组建成如下实验装置图。

3、对流传热系数准数关联式的实验确定
Re Pr m
n
Nu A = 式中:努塞尔准数.： 11
a d Nu λ
=
雷诺准数: 1Re d u ρ
μ
=
普朔特准数: Pr p C μ
λ
=
对上式（11）两边取对数得
lg lg lg Re lg Pr Nu A m n =++ 或 lg
lg Re lg Pr
n Nu
m A =+ (17) 在强制湍流时，当温度变化范围不太大，温度对流体的特性影响较小，在气流温度升高时，n=0.4。

Pr 为常数，其表达式中的常数Cp,μ,λ,ρ均指在平均温度下12
2
t t t +=的值 设lg
Pr n
Nu
Y =，b 0=lgA X=lgRe 则（17）变为 Y=mX+b 0 (18)
以X 为自变量，Y 为因变量，进行二元线性回归，求得m ，b 。

即可求得A.m ，或在双对数坐标纸上，以
Pr
n Nu
为纵坐标，Re 为横坐标，做出一条直线，求出其斜率，即 m ． 四、实验装置
1、 实验流程图
2、主要设备及仪表
换热器 蒸汽发生器 热电阻温度计 控温仪 流量计 气泵 压力表 阀门 3、主要设备参数
黄铜管壁厚： mm 管内径： mm 管外径 mm 管长 m 五、实验步骤
1．在蒸汽发生器里放入去离子水至液位管上段处，使水浸没加热电棒，以防烧坏。

2、启动风机，通过气体流量计上的阀门和风机出口处的旁路，调节一定的气体流量，
3、再开加热蒸汽的阀门，调节蒸汽的压强为一稳定值 50～60kpa，待套管表面发热，打开套
管上下法兰处的排气考克2～3次，排除不凝性气体。

4、整个实验操作热流体的进口温度是恒定的，改变唯一操作变量即冷空气转子流量计阀门开
度，达到改变流速的目的。

5、每次调节风量，维持待冷流体出口温度显示值保持5min以上不变时方可同时采集实验数
据。

6、实验结束时，先关加热蒸汽，保持冷空气继续流动10min，以足够冷却套管换热器及壁温，
保护热电偶接触正常。

7、仪表屏中间的大表是温控表，请不要乱揿按钮。

注意事项：
1、上机数据处理的直线相关系数要求R≥0.95，否则，实验重做。

2、蒸汽温度升上来时，打开套管上下端的排气考克，排气2--3次，排除不凝气体。

3、仪表均以设定好，切勿乱调。

4、在实验过程中蒸汽压力不宜过高，操作压力视装置的条件而定。

5、每次参数调整后，会使原来的定态操作被破坏，只有当重新达到定态时，才能测量新的数据。

六、实验数据纪录和结果整理：
原始数据记录表格
实验日期：室温：大气压：加热蒸汽 pa
数据处理结果
表2
计算举例（并绘出图形
七、思考题：
1、如何判断实验过程已经稳定，影响实验的主要因素是什么？
2、影响α的主要参数是什么？空气温度不同是否有不同的关联式？
3、强化传热过程有哪些途径？
4、在蒸汽冷凝时，若存在不凝性气体，你认为将会有什么变化？应该采取什么措施？ 6、 影响传热系数K 的因素有那些？
7、 实验过程中，冷凝水如不及时排走会产生什么影响？
8、 实验装置中，光滑管（粗糙管）变成粗糙管（光滑管）时，对实验结果有何影响？
110
100
1000
10000100000
R e
N u。