对流传热实验实验报告

实验三 对流传热实验
一、实验目的
1.掌握套管对流传热系数i α的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解，应用线性回归法，确定关联式4.0Pr Re m A Nu =中常数A 、m 的值；
2.掌握对流传热系数i α随雷诺准数的变化规律； 3．掌握列管传热系数Ko 的测定方法。

二、实验原理
㈠ 套管换热器传热系数及其准数关联式的测定
⒈ 对流传热系数i α的测定
在该传热实验中，冷水走内管，热水走外管。

对流传热系数i α可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定
i
i
i S t Q ⨯∆=
α （1）
式中：i α—管内流体对流传热系数，W/(m 2·℃)； Q i —管内传热速率，W ； S i —管内换热面积，m 2；
t ∆—内壁面与流体间的温差，℃。

t ∆由下式确定： 2
2
1t t T t w +-
=∆ （2） 式中：t 1，t 2 —冷流体的入口、出口温度，℃；
T w —壁面平均温度，℃；
因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用t w 来表示。

管内换热面积： i i i L d S π= （3） 式中：d i —内管管内径，m ；
L i —传热管测量段的实际长度，m 。

由热量衡算式：
)(12t t Cp W Q m m i -= （4）
其中质量流量由下式求得：
3600
m
m m V W ρ=
（5） 式中：m V —冷流体在套管内的平均体积流量，m 3 / h ； m Cp —冷流体的定压比热，kJ / (kg ·℃)； m ρ—冷流体的密度，kg /m 3。

m Cp 和m ρ可根据定性温度t m 查得，2
2
1t t t m +=为冷流体进出口平均温度。

t 1，t 2， T w ， m V 可采取一定的测量手段得到。

⒉ 对流传热系数准数关联式的实验确定
流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为
n m A Nu Pr Re =. （6）
其中： i i i d Nu λα=
， m m i m d u μρ=Re ， m
m
m Cp λμ=Pr 物性数据m λ、m Cp 、m ρ、m μ可根据定性温度t m 查得。

经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pr 变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：
4.0Pr Re m A Nu = （7）
这样通过实验确定不同流量下的Re 与Nu ，然后用线性回归方法确定A 和m 的值。

㈡ 列管换热器传热系数的测定
管壳式换热器又称列管式换热器。

是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。

这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。

由壳体、传热管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。

壳体多为圆筒形，
内部装有管束，管束两端固定在管板上。

进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。

实验装置采用双管程。

传热系数Ko 用实验来测定
O
S t Q K m i
o ⨯∆=
（1）
式中：Ko —列管传热系数，W/(m 2·℃)； Q i —管内传热速率，W ； S O —管外换热面积，m 2； m t ∆—平均温度差，℃。

m t ∆由下式确定： 逆m m t t ∆=∆ψ （2）
1
22
1122
1ln
t T t T t T t T t m -----=∆）
（）（逆 （3） 式中：t 1，t 2 —冷流体的入口、出口温度，℃； T 1，T 2 —热流体的入口、出口温度，℃；
逆m t ∆ —逆流时平均温度差，℃；
ψ—温差校正系数，由R 、P 的查到（课本P 100）。

()
//21/1112//
21=f P R T T P T T T T R T T ψ-==
--=
=-，冷流体的温升
两流体的最初温度差热流体的温降
冷流体的温升
管外换热面积： Lo d n S o o π= （4） 式中：d O —内管管外径，m ；
L O —传热管测量段的实际长度，m 。

由热量衡算式：
)(12t t Cp W Q m m i -= （5）
其中质量流量由下式求得：
3600
m
m m V W ρ=
（6） 式中：m V —冷流体在套管内的平均体积流量，m 3 / h ； m Cp —冷流体的定压比热，kJ / (kg ·℃)； m ρ—冷流体的密度，kg /m 3。

m Cp 和m ρ可根据定性温度t m 查得，2
2
1t t t m +=
为冷流体进出口平均温度。

t 1，t 2， T 1，T 2， m V 可采取一定的测量手段得到。

三、实验流程和设备主要技术数据
⒈ 设备主要技术数据见表1
表1 实验装置结构参数
⒉ 实验流程如图1所示。

⒊ 实验的测量手段 ⑴温度的测量
冷水热水进出口温度采用热电阻温度计测得。

套管壁温采用热电偶温度计测量。

⑵ 加热
热水箱内装有2组加热器，热水箱为双层保温设计。

加热方式采用温度控制
加热。

图1 水-水传热综合实验装置流程图
四、实验方法及步骤
⒈实验前的准备，检查工作。

⑴向水箱中加满水。

⑵接通电源总闸，设定加热表温度为60o C，启动电加热器开关，开始加热。

关闭热水端转子流量计阀门，启动热水泵，打开转子流量计阀门，选择一个换热器，使热水循环流动。

2. 实验开始.
⑴选择套管换热器。

调节热水流量为一定值920L/h。

⑵启动冷水泵用转子流量计调节流量，调好某一流量后稳定3-5分钟后，分别测量冷水的流量，进、出口的温度及壁面温度。

然后，改变流量测量下组数据。

一般从小流量到最大流量之间，要测量4～6组数据。

⑶做完套管换热器的数据后，要进行列管换热器实验。

分别记录热水进出
口温度冷水进出口温度。

实验方法同步骤⑵。

⒊实验结束后，依次关闭加热、泵和总电源。

一切复原。

五、实验注意事项
1、检查加热箱中的水位是否在正常范围内。

特别是每次实验结束后，进行下一次实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。

2、实验管路内部不能有气泡，高位槽一定要有溢流，以保持冷流体流量稳定。

实验分析一．Nu/(Pr0.4)—ARe m曲线
通过实验确定不同流量下的
Re与Nu值，并将公式
Nu=ARe m Pr0.4转换为Nu/(Pr0.4)=
ARe m，以Nu/(Pr0.4)为纵坐标，
Re为横坐标做线性回归得右图，
并确定出方程为
y=0.01464*x0.83454，由此得出
A=0.01464,m=0.83454。

二．K0—Re曲线
计算出不同流量下的传热系
数K0的值，绘出传热系数K0与
雷诺数Re的关系曲线，如右图。

流体刚进入湍流时，Re值对K0
几乎没有影响，随着Re值的不断
增大，传热系数K0明显增大，与
Re呈线性关系。

三．αi—Re曲线
根据实验数据绘出管内对流
传热系数αi随雷诺数Re的关系曲
线，如右图，由图可知，对流传热
系数αi开始时随着雷诺数Re的增
大而增大，几乎呈线性上升，但随
着Re的增大，αi增长速率逐渐减
小，Re到达一个临界值时，αi开始
减小。