对流传热系数的测定实验报告

浙江大学化学实验报告

课程名称：过程工程原理实验甲实验名称：对流传热系数的测定指导教师：

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同组学生：

实验日期：

实验地点：

目录

一、实验目的和要求 (2)

二、实验流程与装置 (2)

三、实验内容和原理 (3)

1.间壁式传热基本原理 (3)

2.空气流量的测定 (5)

3.空气在传热管内对流传热系数α的测定 (5)

3.1牛顿冷却定律法 (5)

3.2近似法 (6)

3.3简易Wilson图解法 (6)

4.拟合实验准数方程式 (7)

5.传热准数经验式 (7)

四、操作方法与实验步骤 (8)

五、实验数据处理 (9)

1.原始数据： (9)

2.数据处理 (9)

六、实验结果 (12)

七、实验思考 (13)

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 u=ARe n形式的准数方程，并与教材中公认经验式进行比较；

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、实验流程与装置

本实验流程图（横管）如下图1所示，实验装置由蒸汽发生器、孔板流量计、变频器、套管换热器（强化管和普通管）及温度传感器、只能

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，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

入套管换热器内管，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

择，三者必学统一。

图1 横管对流传热系数测定实验装置流程图

图中符号说明如下表：

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，水蒸气和空气通过紫铜管间接换热，空气走紫铜管内，水蒸气走紫铜管外，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，是换热效果更明显。

1.间壁式传热基本原理

如图2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组成。

图2 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：

Q=m1c p1(T1−T2)=m2c p2(t2−t1)

=α1A1(T−T w)m=α2A2(t w−t)m

=KA∆t m (1)

热流体与固体壁面的对流平均温差可由（2）式计算：

(T−T w)m=(T1−T w1)−(T2−T w2)

(2)

ln T1−T w1

T2−T w2

固体壁面与冷流体的对数平均温差可由（3）式计算：

(3)

(t−t w)m=(t1−t w1)−(t2−t w2)

ln t1−t w1

t2−t w2

热、冷流体的对数平均温差可由（4）式计算：

∆t m=(T1−t2)−(T2−t1)

(4)

ln T1−t2

T2−t1

式中：Q ----热流量，J/s；

m1, m2----分别为热、冷流体的质量流量，kg/s

c p1，c p2----分别为定性温度下热、冷流体的比热，J/(kg·℃)

T1，T2----分别为热流体的进出口温度，℃

t2，t1----分别为冷流体的进出口温度，℃

α1，α2----分别为热、冷流体与固体壁面的对流传热系数，W/(m2·℃)

A1，A2----分别为热、冷流体的传热面积，m2

(T−T w)m，(t−t w)m----分别为热、冷流体与固体壁面的对数平均温差，℃K----以传热面积A为基准的总传热系数，W/(m2·℃)

A----平均传热面积，m2

∆t m----冷、热流体的対数平均温差，℃

由实验装置流程图可见，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。

2.空气流量的测定

空气在无纸记录仪上现实的体积流量，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

⁄时的读数，因此，如果空气示的体积流量是将孔板出的空气密度ρ0当作1kg m3

实际密度不等于该值，则空气的实际体积流量应该由下式进行校正：

(5)

V′=

√ρ

空气质量流量m:m=V′ρ0 (6)

式中：V′----空气实际体积流量，m3/s

V----无纸记录仪上显示的空气的体积流量，m3/s

ρ0----空气在孔板处的密度，kg/m3,本实验中ρ0即为空气在进口问题t1下对应的温度。

3.空气在传热管内对流传热系数α的测定

3.1牛顿冷却定律法

在本装置的套管加热器中，环隙内通空气，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：

mc(t2−t1)=αA(t w−t)m (7)

(8)

即α=mc(t2−t1)

A(t w−t)m

t w1和t w2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T w1≈t w1及T w2≈t w2，T w1和T w2分别是空气进口处的换热管外壁温度和空气出口处的换热管外壁温度。

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。