空气-水蒸气对流给热系数测定实验报告

一．实验课程名称 化工原理
二．实验项目名称 空气－蒸汽对流给热系数测定 三、实验目的和要求
1、了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。

2、掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。

3、学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。

四．实验内容和原理
实验内容：测定不同空气流量下进出口端的相关温度，计算α，关联出相关系数。

实验原理：在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，称为间壁式换热。

如图(4－1)所示，间壁式传热过程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。

达到传热稳定时，有
()()()()m m W M W
p p t KA t t A T T A t t c m T T c m Q ∆=-=-=-=-=221112222111αα （4－1）
热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（4—2）计算， ()()()
2
211
2211ln W W W W m W T T T T T T T T T T -----=
- （4－2）
式中：T W 1 －热流体进口处热流体侧的壁面温度，℃；T W 2 －热流体出口处热流体侧的壁面温度，℃。

固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式（4—3）计算，
()()()
2
21
12211ln t t t
t t t t t t t W W W W m W
-----=
- （4－3）
式中：t W 1 － 冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，℃；t W 2 － 冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，℃。

热、冷流体间的对数平均温差可由式（4—4）计算，
()()
1
221
1221m t T t T ln t T t T t -----=
∆ （4－4）
当在套管式间壁换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以冷空气或水进行对流传热系数测定实验时，则由式（4－1）得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数，
()()M
W p t t A t t c m --=
212222α （4－5）
实验中测定紫铜管的壁温t w1、t w2；冷空气或水的进出口温度t 1、t 2；实验用紫铜管的长度l 、内径d 2，l d A 22π=；和冷流体的质量流量，即可计算α2。

然而，直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度，实验技术难度大，而且所测得的数据准确性差，带来较
大的实验误差。

因此，通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流给热系数就成为人们广泛采用的一种实验研究手段。

由式（4－1）得，
()m
p t A t t c m K ∆-=
1222 （4－6）
实验测定2m 、2121T T t t 、、、、并查取()212
1
t t t +=平均下冷流体对应的2p c 、换热面积A ，即可由上式计算得总给热系数K 。

1． 近似法求算对流给热系数2α
以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为，
1
121212221
1d d d d R d bd R K S m S αλα+
+++= （4－7） 用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流给热系数约为几十到几百K m W .2；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数1α可达~K m W .102
4
左右，因此冷凝传热热阻1
12
d d α可忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻1
21
d d R
S 也可忽略。

实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数为383.8K m W ⋅，壁厚为2.5mm ，因此
换热管壁的导热热阻m d bd λ2可忽略。

若换热管内侧的污垢热阻2S R 也忽略不计，则由式（4－7）得，
K ≈2α
（4－8）
由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法所得的准确性就越高。

2． 冷流体质量流量的测定
用孔板流量计测冷流体的流量，则，2m V ρ= (4－9) 式中，V 为冷流体进口处流量计读数，ρ为冷流体进口温度下对应的密度。

3． 冷流体物性与温度的关系式
在0～100℃之间，冷流体的物性与温度的关系有如下拟合公式。

（1）空气的密度与温度的关系式：52310 4.510 1.2916t t ρ--=-⨯+ （2）空气的比热与温度的关系式：60℃以下p C ＝1005 J / (kg ∙℃),
70℃以上p C ＝1009 J / (kg ∙℃)。

（3）空气的导热系数与温度的关系式： 8252108100.0244t t λ--=-⨯+⨯+ （4）空气的黏度与温度的关系式：6235(210510 1.716910t t μ---=-⨯+⨯+⨯）
五．主要仪器设备（含流程简图及主要仪器）
1．实验装置 实验装置如图4-1所示
图4-1 空气-水蒸气换热流程图
来自蒸汽发生器的水蒸气进入不锈钢套管换热器环隙，与来自风机的空气在套管换热器内进行热交换，冷凝水
经疏水器排入地沟。

冷空气经孔板流量计或转子流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后排出装置外。

2．设备与仪表规格
（1）紫铜管规格：直径φ21×2.5mm，长度L=1000mm；（2）外套不锈钢管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm；（4）铂热电阻及无纸记录仪温度显示；（5）全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表。

六、操作方法与实验步骤
实验步骤
1、打开控制面板上的总电源开关，打开仪表电源开关，使仪表通电预热，观察仪表显示是否正常。

2、在蒸汽发生器中灌装清水至水箱的球体中部，开启发生器电源，使水处于加热状态。

到达符合条件的蒸
汽压力后，系统会自动处于保温状态。

3、打开控制面板上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体进口阀，让套管换热器里充有一定量的
空气。

4、打开冷凝水出口阀，排出上次实验余留的冷凝水，在整个实验过程中也保持一定开度。

注意开度适中，
开度太大会使换热器中的蒸汽跑掉，开度太小会使换热不锈钢管里的蒸汽压力过大而导致不锈钢管炸裂。

5、在通水蒸汽前，也应将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排除，否则夹带冷凝水的蒸汽会损坏
压力表及压力变送器。

具体排除冷凝水的方法是：关闭蒸汽进口阀门，打开装置下面的排冷凝水阀门，
让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽响时关闭冷凝水排除阀，方可进行下一步实验。

6、开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽阀的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐充满系统中，使系统由“冷
态”转变为“热态”，不得少于10分钟，防止不锈钢管换热器因突然受热、受压而爆裂。

同时，打开顶
端放气阀，将设备内的空气排出，至排气管有蒸汽放出，关闭排气阀。

7、上述准备工作结束，系统也处于“热态”后，调节蒸汽进口阀，使蒸汽进口压力维持在
0. 01MPa，可通过调节蒸汽发生器出口阀及蒸汽进口阀开度来实现。

8、自动调节冷空气进口流量时，可通过仪表调节风机转速频率来改变冷流体的流量到一定值，在每个流量
条件下，均须待热交换过程稳定后方可记录实验数值，一般每个流量下至少应使热交换过程保持15分钟
方为视为稳定；改变流量，记录不同流量下的实验数值。

9、记录6～8组实验数据，可结束实验。

先关闭蒸汽发生器，关闭蒸汽进口阀，关闭仪表电源，待系统逐渐
冷却后关闭风机电源，待冷凝水流尽，关闭冷凝水出口阀，关闭总电源。

10、打开实验软件，输入实验数据，进行后续处理。

七、实验数据记录与处理
1、实验原始数据记录表，根据相关计算式进行相关数据计算。

实验原始数据记录表
项目次序
1 2 3 4 5 6
水蒸气压强MPa 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02
空气进口温度t 1°C 34.0 30.6 25.5 22.3 20.4 19.9
空气出口温度t 2°C 75.1 74.2 73.3 73.4 74.6 77.3
空气进口处蒸汽温度T 1°C 104.4 104.3 104.5 104.6 104.6 104.7
空气出口处蒸汽温度T 2°C
103.8 104.0 104.2 104.2 104.3 104.5
空气流量 V m 3/h
18.3 15.7 13.2 10.6 7.7 5.2
空气进口处密度 ρkg/m 3 1.1502 1.1633 1.1834 1.1962 1.2040 1.2060 空气质量流量 m s2 kg/s
0.0058 0.0051 0.0043 0.0035 0.0026 0.0017 空气流速 u m/s
25.2952 21.7014 18.2458 14.6519 10.6434 7.1877
计算示例（以次序1数据作为计算示例）：
空气进口处密度：2916.10.34105.40.34102916.1105.41035325+⨯⨯-⨯=+⨯-=----t t ρ=1.1502kg/m 3
空气质量流量：s kg V m s /0058.03600
1502
.13.182=⨯=⨯=ρ
空气流速：s m d
V u /2952.25016.0016.014.336003
..18442
=⨯⨯⨯⨯==
π 2、给热系数K 的计算
项 目 序号
1
2
3
4
5
6
空气定性温度t 平均°C 54.55 52.40 49.40 47.85 47.50 48.60
定性温度下的空气密度'ρ kg/m 3 1.0759 1.0833 1.0937 1.0992 1.1004 1.0965
冷、热流体间的对数平均温差m t ∆°C
46.66 48.58 51.34 52.53 52.41 50.74 总给热系数 K w/(m 2·°C) 103.11
91.16
80.88
68.59
53.31
39.46
空气定性温度：()55.54)1.750.34(2
121
21=+=+=
t t t 平均°C<60°C
则空气比热：1005=Cp J/(kg·°C)
定性温度下的空气密度'ρ：
冷、热流体间的对数平均温差：()()=
-----=-----=
∆0
.348.1031.754.104ln
)0.348.103()1.754.104(ln 1
22
11221t T t
T t T t T t m 46.6565°C
传热面积：222
0502.01016.014.3m l d A =⨯⨯==π
对流传热系数：()6565
.460502.0)
0.341.75(10050058.01222⨯-⨯⨯=
∆-=
m
p t A t t c m K =103.1096w/(m 2·°C)
3、近似法求给热系数2α 则2α=K=103.1096w/(m 2·°C)
4、2α理论值的计算
项 目 序号
1 2 3 4 5 6
对流给热系数 2α w/(m 2·°C) 103.11 91.16 80.88 68.59 53.31 39.46 空气黏度
μ （5
10-⨯Pa·s)
1.885
1.868
1.843
1.827
1.818
1.816
空气导热系数 λ W/(m ·K ）
0.02710 0.02683 0.02643 0.02617 0.02602 0.02598 雷诺数Re 23110
20140
17320
14100
10310
6950
普兰特数 Pr 0.6990 0.6997 0.7009 0.7017 0.7021 0.7022 努赛尔数Nu 60.88 54.36 48.97 41.93 32.78 24.30 努赛尔数理论值Nu' 61.74 55.33 49.07 41.64 32.43 23.65 理论2α' W/(m 2·°C)
104.56
92.78
81.05
68.12
52.74 38.41 2α各点的相对误差
0.0138 0.0174 0.0021 0.0068 0.0109 0.0271 4.252 4.139 4.033 3.878 3.631 3.332
10.048
9.910
9.760
9.554
9.241
8.846
空气粘度：5
3
2
610)7169.1105102(---⨯+⨯+⨯-=t t μ =s Pa ⋅⨯=⨯+⨯⨯+⨯⨯-----55
3
2
6
10885.110)7169.10.341050.34102(
空气导热系数：
雷诺数：2311010
885.10759
.12952.25016.0'
Re 5
=⨯⨯⨯=
=
-μ
ρdu
普兰特数：6990.002710
.010885.11005Pr 5=⨯⨯==-λμ
Cp 努赛尔数：88.6002710
.0016
.011.1032=⨯==
λαd Nu 对于流体在圆形只管内做湍流时的对流传热系数，如符合以下条件：5
4
102.1100.1Re ⨯-⨯=，
1207.0Pr -=，管长与管内径之60/≥d l ,则n Nu Pr Re 023.08.0=。

本实验中，605.62016.0/1/≥==d l ,而Re,Pr 也基本在这个范围内，n=0.4。

所以可以用上述公式计算Nu 的理论值n Nu Pr Re
023.0'8
.0===⨯⨯4.08
.06990.023110023.061.74
理论'2α：)/(56.104016.0/02710.074.61/''22C m W d Nu ︒⋅=⨯==λα 误差：/'2α-2α//'2α=(104.56-103.11)/104.56%100⨯=1.38%
八、实验结果与分析
1、冷流体给热系数的实验计算值与理论值（800230.0.4Re .Nu/Pr =）列表比较，计算各点误差，并分析讨论。

项 目 序号
1
2
3
4
5
6
努赛尔数Nu 60.88 54.36 48.97 41.93 32.78 24.30 努赛尔数理论值Nu' 61.74 55.33 49.07 41.64 32.43 23.65 对流给热系数 2α w/(m 2·°C)
103.11 91.16 80.88 68.59 53.31 39.46 理论2α' W/(m 2·°C)
104.56
92.78
81.05
68.12
52.74 38.41 2α各点的相对误差
0.0138 0.0174 0.0021 0.0068
0.0109
0.0271
误差分析：
①、迪图斯-贝尔特公式（n Nu Pr Re 023.08
.0=）有条件范围，而实验数据并未全在此范围之内。

那用此公式
算出的Nu'和2α' 误差就可能较大。

②、设备内的空气未排尽，即有不凝性气体存在，使2α值下降。

③、测第一组数据时，等待时间不足，可能还没有达到真正的热态。

2、冷流体给热系数的准数式：m 0.4Re A Nu/Pr =，以()
0.4Nu/Pr ln 为纵坐标，()Re ln 为横坐标，将实验数据的结果标绘在图上，由实验数据作图拟合曲线方程，确定式中常数A 及m ；并与教材中的经验式800230.0.4Re .Nu/Pr =比较。

冷流体给热系数的准数式：m Y Re Nu/Pr 0.4=，以(
)0.
4N
u /P r ln 为纵坐标，()Re ln 为横坐标,将实验数据的结果作图，
如下图所示。

冷流体给热系数的准数式：m Y Re Nu/Pr 0.4
= ，
两边同时取对数得：
()
0.4Nu/Pr ln =Re ln ln m Y +
4276.3ln -==Y A ，Y=0.03246；m=0.7641
与教材中的经验式800230.0.4Re .Nu/Pr =比较误差较大，n
Nu Pr Re 023.08.0=有条件范围，而实验数据并未全
在此范围之内。

那用此公式算出的Nu'和2α' 误差就可能较大。

测第一组数据时，等待时间不足，可能还没有达到真正的热态。

九、讨论、心得
1、 思考题
（1）、实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响?
答：无影响。

因为Q=m t A ∆α，无论冷流体和蒸汽是顺流还是逆流，由于蒸汽温度不变，所以m t ∆不变，而A 和α不受冷流体和蒸汽流向的影响，所以效果不变。

（2）、在计算空气质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值是否一致？它们分别表示什么位置的密度，应在什么条件下进行计算。

答：计算空气质量流量时用到的密度值和求雷诺数时的密度值不一样，前者密度为空气入口处温度下的密度，而后者为空气定性温度的密度。

（3）、实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如何及时排走冷凝水？如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？
答：1、冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了热阻，降低了传热速率。

2、在外管最低处设置排水口，及时排走冷凝水。

3、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对 α 关联式基本无影响。

2、心得
（1）、就实验本身而言：通过本次实验了解并基本掌握给热系数测定的实验方法；学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径；观察到了实验中会出现的现象，能基本分析产生现象的原因以及这种现象对于实验是否有利。

（2）、就实验数据处理而言：本次实验的数据都是用Excel 处理的，让我更加体会到了电脑的强大，如果自己用计算器手算的话，会浪费很大的脑力和精力还有时间，而电脑使得数据处理事半功倍。

此次实验的数据处理量相对较大，在处理过程中要耐心、细心，调节自己的烦躁情绪，淡定冷静的做这件事情。

其实做其他的事何尝不是呢。

（3）、就实验操作而言：实验是四人一组，必然每个人都有分工。

每个人都做好自己所负责的项目的同时，配合好其他的同学，才能使得实验更加顺利的进行。

此时团队意识就显得非常重要，如果只是自己顾自己，最后得到的数据不准确，那一个下午白忙活不说，在辛苦的处理数据后得到的确是并不可观的结果，那真是太不值得了。

当然，一个大前提，就是做好实验预习，在老师讲解时知道有这么回事，不至于不知道老师在讲什么，弄
清楚管路走向，阀门是开是关，每一步都要弄清楚明白。

所以从开始就要认真对待实验，亲力亲为，同心协力，
尽善尽美。