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实验四、对流传热系数的测定一、 实验目的1 学会对流传热系数的测定方法。2 测定空气在圆形直管内(或螺旋槽管内)的强制对流传热系数，并把数据整理成准数关联式，以检验通用的对流传热准数关联式。3 了解影响对流传热系数的因素和强化传热的途径。二、实验内容测定不同空气流量下空气和水蒸汽在套管换热器中的进、出口温度，求得空气在管内的对流传热系数。三、基本原理1准数关联式对流传热系数是研究传热过程及换热器性能的一个很重要的参数。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目的，这种传热过程是冷热流体通过固体壁面（传热元件）进行的热量交换，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。由传热速率方程式知，单位时间、单位传热面所传递的热量为 q=K(T-t) （51）而对流传热所传递的热量，对于冷热流体可由牛顿定律表示 q=ah(T-Tw1) （52）或 q=ac(tw2-t) （53）式中 q传热量， W/m2； a给热系数， W/m2 T热流体温度， ； t冷流体温度， ； Tw1、tw2热、冷流体侧的壁温， ； 下标：c冷侧 h热侧。由于对流传热过程十分复杂，影响因素极多，目前尚不能通过解析法得到对流传热系数的关系式，它必须由实验加以测定获得各影响因素与对流传热系数的定量关系。为了减少实验工作量，采用因次分析法将有关的影响因素无因次化处理后组成若干个无因次数群，从而获得描述对流传热过程的无因次方程。在此基础上组织实验，并经过数据处理得到相应的关系式，如流体在圆形（光滑）直管中做强制对流传热时传热系的变化规律可用如下准数关联式表示 Nu=CRemPrn (54) (55) (56)式中 Nu努塞尔特准数； Re雷诺准数； Pr普兰特准数； w空气的质量流量， Kgs； d热管内径， m； A换热管截面积， m2； m定性温度下空气的粘度， PaS； l定性温度下空气的导热系数， W(m)； a对流传热系数， W(m2)。当流体被加热时，n=0.4；被冷却时，n=0.3。此式的适用范围：Re10000，0.7Pr120，长与管径比，低粘度的流体(2倍常温下水的粘度)。计算各物理量的定性温度用进出口温度的算术平均值。对空气而言，在较大的温度和压力范围内Pr准数实际上保持不变，取Pr =0.7。因空气被加热，取n=0.4，则（54）式可简化为： (C=CPrn=0.867C) （57）对于螺旋槽管的准数关联式：2对流传热系数a的测定在套管换热器中，环隙中通水蒸汽，内管管内通空气，水蒸冷凝放热加热空气，当传热达到稳定之后空气侧对流传热系数ai与总传热系数K有以下关系： （58）式中 d管壁厚度， m； l管壁材料的导热系数， W (m)； ai管内对流传热系数， W (m2)； ao管外对流传热系数， W (m2)。因管内流动的是空气，管外流动的是水蒸汽，所以两侧污垢热阻可不计。式中为黄铜管壁热传导的热阻，其中d=0.001m，l=377W (m)，所以很小，为蒸汽冷凝膜的热阻，与相比很小可以忽略，所以。根据传热速率方程和热量衡算式有如下关系 (59)其中 式中 Q传热速率， W； K总传热系数， W (m2)； W空气的质量流量， Kgs； Cp空气的平均比热， J(Kg)； t出空气出口温度， ； t进空气进口温度， ； Dt对数平均温度差， ； T蒸汽温度， 。于是式(59)可改写成 Q= （510）从而得到管内空气对流传热系数的计算式 (511)式中 VS空气的体积流量， m3s； r流经流量计处空气密度， Kgm3。所以当传热达到稳定后，用蒸汽温度可计算出Dtm，利用仪器测出各数据，就能计算出实测值ai，从而整理出Nu准数与Re准数之间的函数关系，最后确定出式中的C与指数m。3Re与Nu的计算 （512）式中 di管内径， m； m定性温度下空气的粘度， PaS； （513）式中 l定性温度下空气的导热系数， W(m)。4流量的测量和密度的计算 (514)式中 Pa大气压强(可取当地大气压) mmHg Rp流量计前端被测介质表压强 mmHg t流量计前端被测介质温度(可取t=t进) 式中 V0转子流量计的读数； rgo标定转子时空气的密度； rs实际操作情况时气体密度。四、实验装置蒸汽支路控制阀10普通管套管换热器旁路调节阀孔板流量计强化管套管换热器风机出口管蒸汽支路控制阀11空气支路控制阀9空气支路控制阀8气-汽对流传热实验装置（一） 实验装置的基本功能和特点本实验装置是以空气和水蒸汽为介质，对流换热的简单套管换热器和强化内管的套管换热器。通过对本换热器的实验研究，可以掌握对流传热系数i的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。并应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。通过对管程内部插有螺旋线圈的空气-水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式Nu=BRem中常数B、m的值和强化比Nu/Nu0，了解强化传热的基本理论和基本方式。实验装置的主要特点如下： 1.实验操作方便,安全可靠。 2.数据稳定,强化效果明显，用图解法求得的回归式与经验公式很接近。 3.水,电的耗用小,实验费用低。4.传热管路采用管道法兰联接,不但密封性能好,而且拆装也很方便。箱式结构，外观整洁，移动方便。（二）强化套管换热器实验简介强化传热又被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。强化传热的方法有多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热的。（三）设备主要技术数据：1. 传热管参数: 表1 实验装置结构参数实验内管内径di（mm）20.00实验内管外径do（mm）22.0实验外管内径Di（mm）50实验外管外径Do（mm）57.0测量段（紫铜内管）长度l（m）1.50强化内管内插物（螺旋线圈）尺寸丝径h（mm）1节距H（mm）40加热釜操作电压200伏 操作电流10安2. 空气流量的测定：孔板流量计与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。 3.温度测量： (1) 空气进、出传热管测量段前的温度由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。 (2) 管外壁面平均温度Tw( )由数字式毫伏计测出与其对应的热电势E(mv,热电偶是由铜康铜组成),再由 E 根据公式:Tw()=8.521.26E(mv)计算得到。 4.电加热釜：加热电压由PT-139E控制仪表来控制。5. 旋涡气泵, 型号：XGB2。四、实验设备流程图: 见附图所示。普通套管换热器；2、内插有螺旋线圈的强化套管换热器；3、蒸汽发生器；4、旋涡气泵；5、旁路调节阀；6、孔板流量计；7、风机出口温度（冷流体入口温度）测试点；8、9空气支路控制阀；10、11、蒸汽支路控制阀；12、13、蒸汽放空口；14、蒸汽上升主管路；15、加水口；16、放水口；17、液位计；18、冷凝液回流口附图：空气-水蒸气传热综合实验装置流程图五、实验步骤1 把蒸汽发生器加蒸馏水至恒定水位，然后关闭蒸汽阀，打开总电源开关，给温控仪设定适当温度。2 待蒸汽发生器内温度接近设定温度时，打开蒸汽阀门，使蒸汽进入套管环隙，并打开放气阀排除不凝性气体。微开排液阀，以便冷凝水及时排除。3 打开空气旁通阀，开启风机，调节阀门使流量到指定刻度，待稳定后，记录数据4 改变空气流量，稳定后，读取数据。5 实验结束后，先关闭空气调节阀后关闭风机，最后关闭总电源开关。6 读大气压力计值，记录操作条件下大气压强值。注意:实验过程中应及时排除不凝性气体和冷凝水。但在排放过程中，尽量不要影响实验操作的稳定性。六、注意事项 (1) 检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。(2) 必须保证蒸汽上升管线的畅通。即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路控制阀之一必须全开。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。(3) 必须保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前，两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。 (4) 电源线的相线，中性线不能接错，实验桌铁架一定要接地(最起码也要接中性线)。七、数据整理表、准数关联图及回归结果表1 普通管实验记录1234567孔板压差（Kpa)5.354.573.772.832.081.360.56空气入口温度t1(）44.5042.9039.8037.8034.7032.9032.00t1(Kg/m3)1.121.131.141.141.151.161.16空气出口温度t2(）69.3068.9067.6067.2066.4066.5068.40壁面热电势Tw(mv)4.224.234.234.234.234.234.23壁面温度Tw (）98.2098.4298.4298.4298.4298.4298.42管内平均温度at(）56.9055.9053.7052.5050.5549.7050.20at(kg/ m3)1.091.091.101.101.111.111.11at*1002.872.872.852.842.832.822.82Cp at1009.1009.1009.1009.1009.1009.1010.at *100001.991.981.971.971.961.961.96管内平均温差t(）24.8026.0027.8029.4031.7033.6036.40平均温差tm(）40.0341.1643.2444.3046.0646.7245.83空气流量Vt1(m3/h)51.7947.7743.2137.3431.8825.7216.49管内流量V(m3/h)53.8249.7345.1339.1133.5327.1317.47u(m/s)47.5843.9739.9034.5829.6423.9915.45传热量qc(W)407395386355329283198i（W/m2）1621531421271149769Re52012483104432938645334592719717466Nu11310710090816849Nu/(Pr0.4)130123115104937956表2 强化管实验记录1234567孔板压差（Kpa)3.963.172.451.921.521.18空气入口温度t1(）38.1037.9035.2032.2030.2028.90t1(Kg/m3)1.141.141.151.161.171.17空气出口温度t2(）72.8073.5073.3072.8072.6072.60壁面热电势Tw(mv)4.244.244.244.244.244.24壁面温度Tw (）98.6398.6398.6398.6398.6398.63管内平均温度at(）55.4555.7054.2552.5051.4050.75at(kg/ m3)1.091.091.101.101.101.11at*1002.862.862.852.842.832.83Cp at100910091009100910091009at *100001.9831.9841.9771.9691.9641.961管内平均温差t(）34.735.638.140.642.443.7平均温差tm(）40.7540.3541.5142.9843.8744.35空气流量Vt1(m3/h)44.3039.6334.7230.6127.1723.90管内流量V(m3/h)46.7741.9036.8632.6529.0725.63u(m/s)44.6439.9935.1831.1627.7424.46传热量qc(W)496.6456.0431.1408.8381.3347.0i（W/m2）201.51186.90171.75157.29143.71129.40Re473124232537513335233001226547