实验4 传热实验 (Ⅰ) 换热系数K的测定

一、实验目的

1. 测定单壳程单管程列管式换热器的总传热系数K； 2. 学会传热过程的调节方法。

二、基本原理

1.传热速率方程式

工业上大量存在的传热过程（指间壁式传热过程）都是由固体内部的导热及各种流体与固体表面间的给热组合而成。传热过程的基本数学描述是传热速率方程式和热量衡算式。

热流密度q是反映具体传热过程速率大小的特征量。对q的计算，需要引入壁面温度，而在实际计算时，壁温往往是未知的。为实用方便，希望能避开壁温，直接根据冷﹑热流体的温度进行传热速率的计算。

在间壁式换热器中，热量习惯地由热流体传给壁面左侧﹑再由壁面左侧传导至壁面右侧﹑最后由壁面右侧传给冷流体。在定态条件下，并忽略壁面内外的差异，则各环节的热流密度相等，即

q?QT?TwTw?twtw?t???1?1A?h由（4-1）式可以得到

??推动力阻力?c （4-1）

q?T?t1?h??1???c (4-2)

由上式，串联过程的推动力和阻力具有加和性。在工程上，上式通常写成：

Q?KA(T?t) (4-3)

式中

K?11?h??1???c (4-4)

式（4-4）为传热过程总热阻的倒数，称为传热系数。比较（4-1）和式（4-2）两式可知，给热系数A同流体与壁面的温差相联系，而传热系数K则同冷﹑热流体的温差相联系。 由于冷流体的温度差沿加热面是连续变化的，且此温度差与冷﹑热流体的温度成线性关系，故将（4-3）式中（T-t）的推动力用换热器两端温差的对数平均温差来表示，即

Q?KA?tm (4-5)

2.热量衡算方程式

Q?qmcCpc(t2?t1)?qmhCph(T1?T2) (4-6)

3. 传热过程的调节

在换热器中，若热流体的流量qmh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，可能来自 △tm 的变化，也可能来自K的变化，而多数是又两者共同引起的。

如果 αc》αh， 调节qmc，K基本不变，调节作用主要靠 △tm 的变化。如果αc《αh或αc≈αh，调节qmc将使△tm和K皆有较大变化，此时过程调节是两者共同作用的结果。

4．实验装置的建立依据

将（4-5）和（4-6）式联立，则

其中

KA?tm?qmcCpc(t2?t1) (4-7)

?tm?(T1?t2)?(T2?t1)T?tln12T2?t1 (4-8)

K?qmcCpc(t2?t1)A?tm (4-9)

若实验物系选定水与热空气，由（4-8）（4-9）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； qmc — 测冷流体的流量计；

t1﹑t2 — 测冷流体的进﹑出口温度计； T1﹑T2— 测热流体的进﹑出口温度计； Cpc — 测热流体的进﹑出口温度计；

将以上仪表﹑换热器﹑气源﹑及管件阀门等部件组建即可得到实验装置。

二．实验装置图（略） 三．实验步骤

1.先开冷却水流量计阀门；

2.在启动风机前关闭空气流量计阀门，然后依次打开空气流量计阀门﹑打开加热电源，使加热电压调至60 V；

3.待t2和T2稳定不变10 min，读取原始数据。

四．原始数据记录

1. 一次性原始数据

管长 L=290mm， 管程数N=2， 管径d内=10， 管数 n=14， 管壁厚δ=1mm，

换热器内径D=70mm，挡板三块， 螺纹管增面系数Ψ=2.614 2. 原始数据表

qvh /L.h-1 序号 qvc / L.h-1 t1 /℃ t2/℃ T1 /℃ 1

2 3 4 5 6 7 8 9

T2/℃

五﹑思考题

1.影响总传热系数K的因素有哪些？

2.在本实验条件下，进一步地提高冷却水的用量，是否能达到有效强化传热过程的目的？

3.影响传热膜系数α的因素有哪些？使用α的准数关系式时要注意些什么？

(Ⅱ) 强制对流下空气传热膜系数的测定

一、 实验目的

1. 1. 测定套管式换热器的总传热系数K；

2. 2. 比较圆形光滑管和螺纹管强化传热效率；

3. 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；

4. 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

Q=KAΔtm (4-10)

QK?A?tm 有

实验时，若能测定或确定Q 、Δtm和A，则可测定K.

(1) 本实验的测定流过套管环隙的蒸汽加热流过内管的空气时传热系数K。在不考虑热损失的条件下，则

Q?qmhrh?qmcCpc(t2?t1) (4-11)

式中：qmh — 蒸汽冷凝液的质量流量，kg/s；

qmc — 空气的质量流量，kg/s； r h — 蒸汽冷凝潜热，J/kg；

Cp c — 空气的定压比热，J/(kg·K)； t 1、t2— 空气的进、出口温度，℃。 传热速率Q按空气的吸热速率计算.

空气的质量流量由孔板流量计算测量其体积流量后由下式确定：

qmc??qv (4-12)

qV?C0A03

2gR(?0??)? (4-13)

式中：qV — 空气体积流量，m/s；

C0 — 空气体积流量，孔流系数，此处C0=0.855；

A0 — 孔板流量计小孔截面积，m，d0 — 孔径，m，此处d0=0.023 m；

3

ρ — 流量计前空气的密度，kg/m； ρ0 — 压差计指示液密度，kg/m3； R — 压差计指示值，m。

空气的密度可按理想气体计算：

2

A0??d024；

??1.293pa?R273101325273?t (4-14)

式中： pa —当地大气压，Pa；

t —孔板流量计前空气温度，℃，可取t＝t1； R —流量计前空气的表压，Pa。

(2) 传热推动力Δtm：

?tm?(3) 传热面积：

t2?t1T?t1lnT?t2 (4-15)

(4-16)

A=πd L

上两式中：T—蒸汽温度，K； L—传热管长度，m；

d—传热管外径，m。

(4) 温度的测量：

本实验用铜-康铜热电偶测定温度，玻璃温度计作监测热电偶用，本装置的热电偶通过标定可用下式计算其温度：

1.557?10?3?1.608?10?4Ett??490.8258.04?10?5 (4-17)

1.4997?10?3?1.5108?10?4Ett??51.2656?57.554?10或 (4-17a)

式中：t — 热电偶工作端温度，℃，热电偶冷端温度为0℃，即冰水混合液温度；

Et — t℃时的电位差值，mV，电位值由UJ36型直流电位差计测得，t值亦可从Et曲线上直接读取。

2. 测定传热膜系数α

在蒸汽—空气换热系统中，若忽略管壁与污垢的热阻，则总传热系数K与传热膜系数α的关系为：

式中： α1—管壁对空气的传热膜系数，W/(m2·K)； α2 —蒸汽对管壁的传热膜系数，W/( m2·K).

由于蒸汽冷凝传热膜系数远大于管壁对空气的传热膜系数，即α2》α1。

∴ K ≈α1 (4-18)

3. 求α与Re的定量关系式

由因次分析法可知，空气的圆形直管中强制湍流时的传热膜系数符合下列准数关系式：

111?? K?1?2 (4-17)

Nu?ARen (4-19)

?du???d?A???????? (4-19a) 或

式中：λ— 定性温度下空气的传热系数，W/(m·K)；

u — 空气的流速，m/s； ρ— 空气的密度，kg/m3； μ— 空气的粘度，kg/(m·s)； Ａ、n—待定系数及指数.

本实验通过调节空气的流量，测得对应的传热膜系数，然后，将实验数据整理为Re 及Nu，再将所得的一系列Nu~Re数据，通过用双对数坐标纸作图或回归分析法得测定系数A和指数n，进而得到传热膜系数α与Re的经验公式。

n三﹑装置与流程（略） 四﹑操作步骤

1. 向蒸汽发生器内加自来水，水位升至水位计的上红线后，供电并打开该装置的放气阀以排出不凝性气体。

2. 待水沸腾后断开一组或两组电加热器并调整好温度控制器的温度（一般不大于135℃）。

3. 经上述步骤确认正常后，方可投入正常运行。

4. 在运行期间，水位必须在上﹑下红线之间，若水位低与下红线则应停电，打开放气阀降压并重新加水至上红线，再按上述步骤操作。使用过程中严禁超温﹑超压操作。

5. 固定某一额定蒸汽压（一般为0.1MPa）启动风机，调节空气流量从大到小或相反，测定6～8组数据（稳定5～10分钟后，调一次流量），流量间隔应取适当，以便于作图时实验点在双对数坐标纸上分布均匀。在操作过程中间隔打开放气阀，以排除不凝性气体。

6. 检查实验数据是否完整，经指导老师同意后，按以下步骤停止实验：①切断电源；②切断电位差计与流程的联系；③打开套管环隙的排气阀排气；④停风机；⑤清理实验仪器。

五﹑实验记录与数据处理

数据记录参见表4-2.

表4-2 测定α的数据记录表

管内径： ㎜ 管长： m； 流量系数： 室温： ℃ 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 流量计示值 R/mm qV/m3.s-1 计前表压 P表 mm Pa 蒸汽 mV ℃ 温度示值 空气进口 mV ℃ 空气出口 mV ℃ 计算结果 Re Nu 六﹑实验报告

1. 将原始实验数据列成表格；

2. 根据实验结果，将空气的传热膜系数整理成Nu-Re的准数方程。

七﹑思考题

1. 为什么要整理成Nu-Re准数方程而不整理成Nu与流量关系？ 2. 为什么本实验装置的K近似等于α？

3. 环隙间饱和蒸汽的压强发生变化，对管内空气传热膜系数的测量是否会发生影响？ 4. 空气的速度和温度对传热膜系数有何影响？在不同的温度下，是否会得出不同

5. 本实验中空气和蒸汽的流向，对传热效果有什么影响？要不要考虑它们的相对流动方向？

6. 测定2次壁温，分析本实验壁温是接近蒸汽的温度，还是接近空气的平均温度？