传热系数K的测定(教案)
套管换热器的总传热系数的测定
2
综合化学实验
序 号
冷水体积流量 转子刻度 流量
(L/min)
安徽师范大学 2007 年度校级精品课程
冷水温度
t 进/℃
t 出/℃
热水温度
T 进/℃
T 出/℃
（2）并流操作
换热器 内管直径φ10×1.5×1200mm,换热管有效长度 1000mm
五、实验操作步骤 1．先向恒温槽加入蒸馏水,并控制一定的水位(大约离槽盖 3~4 厘米即可)； 2．缓慢开启自来水阀,使转子流量计内充满水,并控制一定的上水量； 3．将恒温槽的温度控制在夏天约 80~82℃左右(以保持热水进入热交换器一
端保持在 80℃左右,具体视散热设备而定)； 4．打开电源开关,接通电源,使电加热器及补充加热器加热同时进行,开动搅
序 号
冷水体积流量 转子刻度 流量
(L/min)
冷水温度
t 进/℃
t 出/℃
热水温度
T 进/℃
T 出/℃
2．实验数据整理
（1）逆流操作
有效换热面积_____________
序 冷水质量 t 出－t 进
φ
T 进－t 出 T 出－t 进 △t 均
K
号 流量(kg/s) (℃) (10-3W) (℃)
(℃) (℃) (W·m-2·℃-1
八、实验报告 1．计算不同实验条件下的传热系数 K 值. 2．分析不同实验条件下 K 值不同的原因, 3．通过实验数据分析,提出如何强化传热过程的建议.
3
（2）并流操作
有效换热面积_________T 出－t 进 △t 均
K
号 流量(kg/s) (℃) (10-3W) (℃)
换热系数K的测定
换热系数K 的测定一、实验目的1．掌握总传热系数的测定方法，2．熟悉传热设备及流程。
3．了解影响传热系数的因素二、实验原理冷热流体通过间壁进行换热时，换热速率可表示为：m m t KA q ∆=式中： K 称为总传热系数，依据传热原理，具体表达式为：∑++=21111αλδαi i Kq —传热速率，W ； m A —垂直于热流方向的平均传热面积，2m ；m t ∆—传热平均温度差，K 。
λ—导热系数，W/(m K)α—给热系数，W/(m 2K)根据传热基本方程式：m m t KA q ∆= ，则传热总系数：m m t A qK ∆⋅=传热速率可表示为：t C V t C G q p s p ∆⋅⋅⋅=∆⋅⋅=ρ式中G —流体的质量流量， 1-⋅s kg ； p C —流体在定性温度下的比热，11--⋅⋅K kg J ；t ∆—流体在换热器进、出口处的温度差，K 。
在实验设备中，冷流体使用空气，其体积流量可用转子流量计测量，空气的密度可按理想气体定律进行换算，空气的比热可查有关数表，进出口温度用热电偶测量。
所以，传热速率可用下式算得：()冷进出冷冷冷t t C V q p s -⋅⋅=ρ在换热器中，若热流体的流量q m1或进口温度T1发生变化，而要求出口温度T2保持原来数值不变，可通过调节冷却介质流量来达到目的。
但是这种调节作用不能单纯地从热量衡算的观点理解为冷流体的流量大带走的热量多，流量小带走的热量小。
根据传热基本方程式，正确的理解是，冷却介质流量的调节，改变了换热器内传热过程的速率。
传热速率的改变，可能来自∆t m的变化，也可能来自K的变化，而多数是由两者共同引起的。
如果α2≥α1，调节q m2，K基本不变，调节作用主要靠∆t m的变化。
如果α2≤α1或α2≈α1,调节q m2,将使∆t m和K皆有较大变化,此时过程调节是两者共同作用的结果。
四、实验步骤1．先开冷空气流量计阀门，调至60L/h等测4组数据；2．打开蒸汽发生炉开关，当蒸汽温度上升至设定值105℃，由于存在气阻，必须打开放气阀快速放气一次；3．待t2和T稳定不变10min，读取原始数据；4．将空气流量调至50L/h，打开放气阀快速放气一次，每改变一次流量，重复打开放气阀快速放气一次；5．实验顺序从大流量到小流量，原因是水空气的热容太小，达到热平衡所需时间太长。
传热系数K的测定（教案）
传热系数K的测定（教案）第一篇：传热系数K的测定(教案)化工原理实验教案实验四换热系数K的测定实验四换热系数K的测定一、实验目的1、了解间壁式传热元件的研究和传热系数测定的实验组织方法。
2、掌握借助于热电偶测量进出口温度的方法3、学会传热系数测定的试验数据处理方法4、了解影响传热系数的因素和强化传热的途径二、实验任务1、在空气－水列管换热器中，测定两个不同水流量时一系列空气流量条件下冷、热流体进出口温度。
2、通过热量衡算方程式和传热速率方程式计算总传热系数的实验值。
三、实验原理间壁式传热装置的传热过程是冷热流体通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，它是由热流体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过程所组成。
在定态条件下，并忽略壁面内外表面的差异，则各环节的热流密度相等，即：QT-TwTw-twtw-tq==1=δ=1 Aαhλαc则：q=1αhδ1T-t推动力=δ1+λ+αc阻力1式中αh、λ、α分别为各传热环节对单位传热而言的热阻，工程上通常将c其写为Q=KA(T-t)，那么换热系数为：K=1αh11+δ+λαc由于冷流体的温度沿加热面是连续变化的，且此温度差与冷、热流体温度成线形关系，故将推动力（T－t）用换热器两端温差的对数平均温差表示，即：Q=KA△tm（1）。
对于一定态双管程列管换热器，热流体走壳程，体积流量为Wh，进口温度为T1，出口温度为T2；冷流体走管内，体积流量为Wc，进口温度为t1，出口温度为t2，热流体放出的热量等于冷流体得到的热量，即：化工原理实验教案实验四换热系数K的测定Q=WcρCpc(t2-t1)= WhρCph(T1-T2)则，Q=KA△tm＝WcρCpc(t2-t1)即：K=WcρCpc(t2-t1)A∆tm式中：A由换热器的结构参数而定，冷流体的体积流量Wc通过流量计测定，热流体进口温度T1和出口温度T2，冷流体的进口温度t1和出口温度t2，均由温度计测定，Cpc由冷流体的进出口平均温度决定。
传热系数K的测定(精)
,
cp
Nu ao Re b Pr c
传热系数K的实验测定
热量衡算式和传热速率方程式
热量衡算式:
Q qm2Cp 2 (t 2 - t1)
传热速率式: Q KA tm 其中：
两式联立，得：
tm
t2 t1 ln T t1
T t2
K qm2Cp2 (t2 t1) Atm
实验流程
实验步骤
先开冷却水转子流量计阀门，再开热空气进口 调节阀。
整个实验操作控制热空气进口温度恒定在170～ 175之间任何某一刻度，分别改变冷流体流量和 热流体流量，达到改变流速的目的。
待冷流体出口温度显示值保持10mi关调压变压器开关，保持冷却 水继续流动10min，以足够冷却壁温，保护加热 器正常。
Q KAT t
Q h Ah T tw1 Q c Ac tw2 t
Q
Am
tw1
tw2
Q
T
tw1 1
tw1 tw2
tw2 t 1
T t 1
h Ah
Am
c Ac KA
K
1
1
1
h Ah Am c Ac
上机数据处理。
原始数据记录
实验组织方法
A---------由换热器的结构参数而定； qm2--------测冷流体的流量计； t1、t2-----测冷流体的进、出口温度计； T --------测热流体的进口温度计； Cp2--------由冷流体的进、出口平均温度定。
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。
传热系数K——精选推荐
传热系数K
● 传热系数K 值的大小取决于流体的物性、传热过程的操作条件和所用换热器的类型等。
● 传热系数K 值的确定
一、 经验值
二、 现场测定
三、 计算法
根据传热的总热阻等于各个分热阻之和，即
o o m i i A A A KA αλδα111++=
基于管壁外表面积A o 的传热系数K o 为：
o m o i i o o m o i i o o d A d d A A A A K αλδααλδα1111++=++=
考虑垢阻影响的传热系数K o 为：
o Ao m o i o Ai i i o o R d d d d R d d K αλδα11
++++=
计算K 值时一定应与其管壁的表面积A 相对应。
当两侧对流传热系数α值相差较大时，要提高K 值，关键在于提高对流传热系数α值小者；若两侧对流传热系数α值相差不大时，则必须同时提高两侧的α值，方能提高K 值。
● 传热面积 根据换热要求，换热器所需要的传热面积：m o t K Q
A ∆=0
考虑15%～25%的安全系数，即 ()0025.1~15.1A A =需
设备实际能提供的传热面积应根据设备结构计算。
对于管式换热器的传热面积，可根据其管径、管长、及管数的多少而定，即 L d n A 00π=设备。
传热系数的测定
传热系数的测定实验目的1、通过空气-水对列管式换热器的实验研究，掌握对流传热系数α的测定方法。
2、利用测得的对流传热系数，检验通用的给热准数关联式。
3、求取列管式换热器的总传热系数K。
4、了解热电偶温度计的使用方法。
实验流程8TT91167125T102T4311.风机2.风机出口旁路3.电加热器4.排空阀5.流量计6.水进口温度7.列管式换热器8.水出口温度 9.空气进口阀 10.风量调节蝶形阀11.干燥室进口温度 12.管道温度控制仪表传热实验工艺流程简图2此列管换热器的换热面积为:0.2m 实验操作要点1、实验前熟悉实验流程，熟悉实验各装置的作用，读取列管换热器的换热面积。
2、打开电源开关，使风速计处于断开状态。
3、将蝶形阀的开度设为70%(蝶形阀必需保持开启状态)。
4、通过温度控制仪表设定加热温度为120,150?，开启加热开关，并将电压手动调节旋钮调至最大。
5、开启进水阀和出水阀，设定一定流量(最小流量或者最大流量)。
6、关闭空气进口阀和废气出口阀，待进风温度升至80,85?后，关闭一组电热管。
7、稳定一段时间后，当进风温度、干燥室进口温度、水的进出口温度稳定，读取相应的温度及水的流量数据。
8、改变水的流量，稳定后重新读取相应的数据。
9、关闭加热开关，待温度降至40?以下，再关闭风机，否者电加热管容易烧坏，最后关闭电源及水，结束实验。
10、清理现场，搞好卫生。
思考题1、管壁温度接近哪一侧流体的温度,为什么,2、在本实验中，水和空气的流向对传热过程有无影响,。
实验八 蒸汽-空气总传热系数K的测定
实验七 蒸汽－空气总传热系数K 的测定一、实验目的1、掌握传热系数K 的测定原理；2、掌握传热系数K 的测定方法及数据处理。
二、实验原理根据传热基本方程，已知传热设备的结构尺寸，只要测得传热速度Q ，以及各有关的温度，即可算出K （W/(m 2·℃)）。
K=mt A Q∆。
式中，A ——传热面积，m 2；△t m ——冷、热流体的平均温差，℃； Q ——传热速率，W 。
Q=W 汽r 。
式中，W 汽——冷凝液流量，kg/s ；r ——冷凝液潜热，J/kg 。
21ln 1221ln )2()1(tT tT tt t T t T t T t T m t ---=-----=∆A=πl d 外。
三、实验装置及流程实验装置主体设备为“三根管”：汽-水套管、裸管和保温管。
这“三根管”与加热器、汽包、测温计等组成整个测试系统，见图7-1。
加热器3将水加热成为水蒸汽后，水蒸汽进入到汔包5中，阀11排除不凝气。
水蒸汽分别在保温管、裸管和套管冷凝传热，用量筒和秒表记录冷凝量和时间。
在套管中，水经过高位槽由转子流量计计量后进入套管换热器壳层。
本试验使用蒸气—水套管测定K 值，观察收集汽—水套管数据。
设备结构尺寸如下：（1）汽-水套管：d 外=16mm 的紫铜管； （2）管长l =0.6m 。
图7-1 实验装置流程示意图⑴放水阀⑵电加热器⑶蒸汽发生器⑷加水阀⑸汽包⑹保温层⑺保温测试管⑻收集瓶⑼放水阀⑽裸管测试管⑾放汽阀⑿套管换热器⒀截止阀⒁高位槽⒂溢流口四、实验步骤及注意事项1、熟悉设备流程，检查各阀门的开关情况，排放汽包中的冷凝水；2、打开加热器进水阀，加水至液面计高度的2/3；3、将电热棒接上电源，并将调压器从0调至220V，待有蒸气后，再将调压器电压调低（160V-180V）；4、打开套管换热器冷却水进口阀，调节冷却水流量为某一值，一般5～10L/h；5、待传热过程达稳定后，分别测量单位时间的冷凝液量、汽温和水温；6、分别记录下表1＃、2＃、3＃、4#、5#对应的温度为套管换热器进水温度t1、套管内壁温T w、套管外壁温度t w、出水温度t2、套管换热器收集瓶冷凝水温度T以及上表5汽包温度、上表6釜温；7、实验结束，切断加热电源，关闭冷却水阀。
传热系数的测定
12211221()()ln m T t T t t T t T t ---=-- t m Q KA = 12=2Q Q Q +12Q Q ==0Q 损22221()s p Q m C t t =-11112()s p Q m C T T =-一、实验目的1.了解换热器的结构，学会换热器的操作方法；2.测定换热器总的换热系数。
二、实验原理获得传热系数的途径：一是实验测定，二是用传热器的对流传热系数计算。
热量衡算方程式:理想状态下 ，则 ，取 ,A=n2πrlK —传热系数 Q —单位时间内冷热流体之间的热交换量，KJ/s(KW) ms1，ms2—热、冷流体的质量流量Kg/sCp1,Cp2—热、冷流体的定压热容KJ/Kg.KT1,T2—热流体进出口温度Kt1,t2—冷流体进出口温度Kn —列管根数三：实验步骤1、打开阀门，给热水槽和冷水槽注水；并加热热水槽中的水；2、关闭转子流量计的进口阀门，大家旁路阀门，然后开启水泵；3、保持冷流体流量不变，改变热流体流量，测五组数据；然后保持热流体流量不变，改变冷流体流量，测五组数据。
4、实验结束，关闭冷热流体阀门。
四：实验数据换热器：列管长L=0.7m 列管根数n=12根，双管程单壳程，直径d=22mm 序号 热流体 冷流体流量L/h 进口温度T1 出口温度T2 流量L/h进口温度t1 出口温度t2 1 550 38.6 34.5 650 23.4 25.4 2 800 38.7 35.4 650 24.2 26.3 3 1000 38.8 35.8 650 25.0 27.1 4 1300 38.5 36.1 650 25.9 28.5 5 1500 38.4 36.3 650 26.7 29.0 6 1000 38.5 35.8 800 27.8 29.7 7 1000 38.5 35.8 1050 28.3 30.0 8 1000 38.5 35.7 1200 28.7 30.3 9 1000 38.5 35.8 750 26.6 30.210 1000 38.4 35.4 1500 25.2 27.4五、数据处理根据第一组数据计算传热系数K ：1、求对数平均温差4.12211=-=∆t T t 2.11122=-=∆t T t ，因为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛<=∆∆211.121t t 故对数平均温差8.11221=∆+∆=∆t t t m 。
实验三+蒸汽─空气对流传热传热系数的测定
实验三 蒸汽─空气对流传热传热系数的测定一、实验目的1． 测定套管式换热器的总传热系数K ；2． 测定圆形直管内传热膜系数α，并学会用实验方法将流体在管内对流及强制对流 时的实验数据整理成包括传热膜系数α的准数方程式；3． 了解并掌握热电偶和电位差计的使用及其温度测量。
二、基本原理1．测定传热系数K根据传热速率方程式：m T KA ∆=φ （1）mT A K ∆=φ（2）式中： φ传热速率，W ； K 总传热系数，W/(m 2·℃)；A 传热面积； m T ∆两流体的平均温度差。
实验时，若能测定或确定φ、A 和，则可测定K 。
m T ∆⑴ 实验是测定蒸汽加热空气时的对流传热总传热系数，其中蒸汽通加套管环隙加热内管的空气，具体的流程如下：在不考虑热损失的条件下，有)(122211T T c q r q p −==m m φ （3）式中： q m1— 蒸汽冷凝液的质量，kg/s ； r 1 — 蒸汽冷凝潜热，J/kg ；q m2— 空气的质量流量，kg/s ； c p2 — 空气的定压比热，J/(kg ·K)；T 1、T 2— 空气的进出口温度，℃； T W1、T W2— 内管外壁温度与内壁温度，℃。
实验中传热速率φ按空气的吸热速率计算。
其中空气的质量流量由孔板流量计测量其 体积流量后转化为质量流量。
即：q m =t ρq V （4）式中：t ρ—为空气进出口平均温度下的密度，kg/m 3。
q V — 为空气的体积流量，m 3/s 。
本实验中，空气的体积流量由孔板流量计测量并通过压力传感器将其差压数字在显示仪表上显示出。
20℃ 下空气流量由公式（5）计算。
6203.000)(p C q t ∆×=V （5）其中， — 20℃ 下的体积流量，m 0t q V 3/h ；C 0— 孔板流量系数，本实验装置中其值为22.696。
p ∆—孔板两端压差，kPa 。
则实验条件下的空气流量q V (m 3/h)则需按下式计算：2732730t Tq q t t ++×=V V式中：t q V —实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m 3/h 。
实验三+蒸汽─空气对流传热传热系数的测定
实验三 蒸汽─空气对流传热传热系数的测定一、实验目的1． 测定套管式换热器的总传热系数K ；2． 测定圆形直管内传热膜系数α，并学会用实验方法将流体在管内对流及强制对流 时的实验数据整理成包括传热膜系数α的准数方程式；3． 了解并掌握热电偶和电位差计的使用及其温度测量。
二、基本原理1．测定传热系数K根据传热速率方程式：m T KA ∆=φ （1）mT A K ∆=φ（2）式中： φ传热速率，W ； K 总传热系数，W/(m 2·℃)；A 传热面积； m T ∆两流体的平均温度差。
实验时，若能测定或确定φ、A 和，则可测定K 。
m T ∆⑴ 实验是测定蒸汽加热空气时的对流传热总传热系数，其中蒸汽通加套管环隙加热内管的空气，具体的流程如下：在不考虑热损失的条件下，有)(122211T T c q r q p −==m m φ （3）式中： q m1— 蒸汽冷凝液的质量，kg/s ； r 1 — 蒸汽冷凝潜热，J/kg ；q m2— 空气的质量流量，kg/s ； c p2 — 空气的定压比热，J/(kg ·K)；T 1、T 2— 空气的进出口温度，℃； T W1、T W2— 内管外壁温度与内壁温度，℃。
实验中传热速率φ按空气的吸热速率计算。
其中空气的质量流量由孔板流量计测量其 体积流量后转化为质量流量。
即：q m =t ρq V （4）式中：t ρ—为空气进出口平均温度下的密度，kg/m 3。
q V — 为空气的体积流量，m 3/s 。
本实验中，空气的体积流量由孔板流量计测量并通过压力传感器将其差压数字在显示仪表上显示出。
20℃ 下空气流量由公式（5）计算。
6203.000)(p C q t ∆×=V （5）其中， — 20℃ 下的体积流量，m 0t q V 3/h ；C 0— 孔板流量系数，本实验装置中其值为22.696。
p ∆—孔板两端压差，kPa 。
则实验条件下的空气流量q V (m 3/h)则需按下式计算：2732730t Tq q t t ++×=V V式中：t q V —实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m 3/h 。
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实验四 换热系数K 的测定
一、 实验目的
1、了解间壁式传热元件的研究和传热系数测定的实验组织方法。
2、掌握借助于热电偶测量进出口温度的方法
3、学会传热系数测定的试验数据处理方法
4、了解影响传热系数的因素和强化传热的途径
二、 实验任务
1、在空气－水列管换热器中，测定两个不同水流量时一系列空气流量条件下冷、热流体进出口温度。
2、通过热量衡算方程式和传热速率方程式计算总传热系数的实验值。
三、实验原理
间壁式传热装置的传热过程是冷热流体通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，它是由热流体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过程所组成。
在定态条件下，并忽略壁面内外表面的差异，则各环节的热流密度相等，即：
c
h t t t T T T A Q q w w w w αλδα11-=-=-== 则： 阻力推动力=++-=
c h t T q αλδα11 式中 h α1、
λδ 、c α1
分别为各传热环节对单位传热而言的热阻，工程上通常将其写为Q=KA(T-t)，那么换热系数为：
c h K αλδα111
++=
由于冷流体的温度沿加热面是连续变化的，且此温度差与冷、热流体温度成线形关系，故将推动力（T －t ）用换热器两端温差的对数平均温差表示，即：Q=KA △t m （1）。
对于一定态双管程列管换热器，热流体走壳程，体积流量为W h ，进口温度为T 1，出口温度为T 2；冷流体走管内，体积流量为W c ，进口温度为t 1，出口温度为t 2，热流体放出的热量等于冷流体得到的热量，即：
Q=W c ρC pc (t 2-t 1)= W h ρC ph (T 1-T 2)
则，Q=KA △t m ＝ W c ρC pc (t 2-t 1)
即：
m pc c t A t t C W K ∆-=)
(12ρ
式中：A 由换热器的结构参数而定，冷流体的体积流量W c 通过流量计测定，热流体进口温度T 1和出口温度T 2，冷流体的进口温度t 1和出口温度t 2，均由温度计测定，C pc 由冷流体的进出口平均温度决定。
四、实验装置和流程
五、实验步骤
1、打开装置总控制开关；
2、缓慢打开冷却水转子流量计阀门，调节冷水流量为40L/h ；
3、先打开空气流量调节阀门（旁通阀），再启动风机（为什么？－）；
4、调节旁通阀的开度，使空气流量为10 L/h ；
5、打开气体加热器的加热电源，调节加热电压控制热空气进口温度恒定在
120～130之间任何某一刻度，待冷、热流体出口温度显示值保持10min 以上不变时采集实验数据；保持冷水流量为40L/h ，在空气流量分别为15、20、25L/h 条件下采集相应实验数据，
6、调节冷水流量为20L/h，在空气流量分别为10、15、20、25L/h条件下采集
实验数据。
7、实验结束时，先关调压变压器开关，停止加热，将冷却水和空气流量调至最
大，将装置冷至室温后，再将其流量调至最小，关闭总水阀和气泵；
8、上机处理实验数据，并打印处理结果，每小组打印一份。
六、思考题
1、启动风机前为什么要打开旁通阀？
2、为何要先打开热空气流量计阀门，再打开电源加热？
3、在整个实验过程中，如何控制热空气进口温度恒定？
七、注意事项
1、启动风机前先打开旁通阀。
2、先打开空气流量计阀门，再打开电源加热。
3、在整个实验过程中，通过调节加热电压控制热空气进口温度恒定在120～130
之间任何某一刻度。
4、待冷、热流体出口温度显示值保持10min以上不变时方可同时采集实验数据。
八、作业
1、上机处理数据，并打印处理结果，每小组打印一份。
2、完成实验报告，应包含：实验目的、实验原理、实验流程、实验步骤、原始
数据、计算示例，讨论等，其中对计算示例，同一小组同学不得采用同一组数据处理。