对流传热系数测定实验

一、实验目的

a) 测定空气在传热管内的对流传热系数，掌握空气在传热管内的对流传热系数的测定方法。

b) 把测得的实验数据整理成Nu=BRen形式的准数方程式，并与教材中相应公式进行比较。

c) 通过实验提高对准数方程式的理解，了解影响传热系数的因素和强化传热的途径。 二、实验装置

实验装置如图1所示，由蒸汽发生器、风机、套管换热器、流量调节阀及不锈钢进、出口管道、温度测量和流量测量装置等组成。

1. 风机 F1. 旁路阀 2. 孔板流量计 3. 空气压力变送器 4. 蒸汽放空口 5. 冷凝液排放口6. 玻璃视镜 7. 套管换热器 F2. 空气流量调节阀 F3. 蒸汽流量调节阀 8. 加水装置F4. 进水阀 13. 蒸汽发生器 T. 蒸汽温度 t1 、t2 . 空气进、出口温度 Tw1、Tw2. 空气出口和进口侧的管壁温度

图1 空气-水蒸气传热实验装置示意图

三、对流传热及参数测取

空气从漩涡风机吸入，经孔板流量计计量后进入套管换热器的内管（紫铜管），与来自蒸汽发生器的饱和水蒸汽在套管换热器内进行换热。被空气冷凝下来的冷凝水经冷凝液排放口排入蒸汽发生器的加水装置。进入套管换热器的空气进、出口温度t1、t2分别由铜—康铜热电偶测出。换热管两端管壁温度Tw1、Tw2同样也分别由埋在内管（紫铜管）外壁上的铜—康铜热电偶测出。蒸汽温度T由蒸汽发生器根据管路内的实际状况实现自动控制，T由热

电阻PT100测得。空气流量通过F2、F2的组合调节来改变或通过变频器改变，由孔板流量计测量，并通过压力变送器测出空气的压力。套管换热器内管（紫铜管）的规格为：φ20×2 mm，换热管有效长度为1200mm，待测的空气温度、压力、流量、管壁温度和蒸汽温度均可在无纸记录仪或计算机上读取。 四、原理和方法

在工业生产过程中，一般情况下，均采用间壁式换热方式进行换热。所谓间壁式换热，就是冷、热两种流体分别在固体壁面的两侧流动，两流体不直接接触，通过固体壁面进行传热。

1．测定总传热系数K

由于换热器内的冷、热流体的温度和物性是变化的，因而在传热过程中的局部传热温差和局部传热系数都是变化的，但在工程计算中，在沿程温度和物性变化不是很大的情况下，通常传热系数K和传热温差?tm0均可采用整个换热器上的积分平均值，因此，对于整个换热器，传热速率方程可写为

Q?K?A1??tm0 （１）

即：

K?Q （２）

A1??tm0式中： Q——传热速率，W（瓦）；

K——空气总传热系数，W/m2.℃；

A1——换热管外表面积，m2；本实验中A1=0.0754 m2

?tm0——换热管两端的对数平均温差，℃。（此时，传热推动力为蒸汽、空气）

1.1 传热速率Q的计算

Q?W?Cp?(t2?t1) （3）

式中： W——空气质量流量，kg/s。

Cp——定性温度下空气的定压比热，kJ/kg .℃；本实验中，空气的定性温度等于

空气进、出口温度的算术平均值。

t1、t2——换热管内空气的进、出口温度，℃。

1.2 空气质量流量W的计算

W?V?? (4) 式中： V——空气的体积流量，m3/h；

?——孔板处空气密度，kg／m3。

其中：

V?C???1000? (5)

式中： C ——孔板流量计的校正系数；本实验中，C=0.5442。

?P——孔板两侧差压变送器的读数，kPa。

本实验中，?可根据空气的温度和压力，应用理想气体状态方程来进行计算，即：

??MA?(P0?P) (6)

R?T式中： MA——空气的摩尔质量，kg/kmol；本实验中，MA=29.0 kg/kmol。

P0——大气压，kPa；本实验中，P0=101.3 kPa。 P——压力变送器读数：空气压力，kPa；

R——通用气体常数，kJ/(kmol.K)；本实验中，R=8.314 kJ/(kmol.K)。 T——孔板处空气温度，K；本实验中，T=273.15+ t1。

1.3 对数平均温差Δtm0的计算

?tm0??t1??t2 (7) ?t1ln?t2其中：

?t1?TW0?t1 ?t2?TW0?t2 (8)

式中：TW0——蒸汽进口温度，℃。（TW0对应实验装置的T测温点）

2．测定空气传热系数a1

本实验系水蒸汽—空气在套管换热器中进行强制对流的传热过程。 根据牛顿冷却定律：

Q??1?A1?(TW?t) (9)

式中： Q——传热速率，W（瓦）；

a1——空气传热系数，W/m2.℃；

A1——换热管内表面积，m2；本实验中A1=0.0603 m2 TW——套管换热器内管的管壁温度，℃； t——换热管内空气温度，℃。

在实际传热过程中，换热管进、出口管壁温度和进、出口空气温度都是变化的，因此传热推动力（即气体进、出口温差）应用对数平均温差来表示：

Q??1?A1??tm （10）

即：

?1?Q （11）

A1??tm式中： ?tm——换热管两端的对数平均温差，℃。 2.1 传热速率Q的计算

Q?W?Cp?(t2?t1) （12）

式中： W——空气质量流量，kg/s。

Cp——定性温度下空气的定压比热，kJ/kg .℃；本实验中，空气的定性温度等于

空气进、出口温度的算术平均值。

t1、t2——换热管内空气的进、出口温度，℃。

2.2 空气质量流量W的计算

W?V?? (13) 式中： V——空气的体积流量，m3/h；

?——孔板处空气密度，kg／m3。

其中：

V?C???1000? (14)

式中： C ——孔板流量计的校正系数；本实验中，C=0.7456。

?P——孔板两侧差压变送器的读数，kPa。

本实验中，?可根据空气的温度和压力，应用理想气体状态方程来进行计算，即：

??MA?(P0?P) (15)

R?T式中： MA——空气的摩尔质量，kg/kmol；本实验中，MA=29.0 kg/kmol。

P0——大气压，kPa；本实验中，P0=101.3 kPa。 P——压力变送器读数：空气压力，kPa；

R——通用气体常数，kJ/(kmol.K)；本实验中，R=8.314 kJ/(kmol.K)。 T——孔板处空气温度，K；本实验中，T=273.15+ t1。

2.3 对数平均温差Δtm的计算

?t??t2 (16) ?tm?1?t1ln?t2其中：

?t1?TW2?t1 ?t2?TW1?t2 (17)

式中：TW1、TW2——空气出口和进口侧的管壁温度，℃。 3．确定准数方程式Nu=BRen

空气在圆形直管内作强制对流时，Nu与Re之间存在如下关系：

Nu?0.023Re0.8Prn (18 )

当空气被加热时n=0.4，当空气被冷却时n=0.3，本实验中空气被加热，n=0.4。 对于空气等对称双原子气体，在实验温度范围附近，普兰特准数Pr≈0.7，代入( 10 ) 式可得如下简化关系式：

Nu?0.02Re0.8 (19)

因此，当空气在管内作强制对流传热时，其准数方程式可表示成：

Nu=BRen (20)