北京化工大学传热实验报告

传热膜系数的测定
摘要：在化工领域中，传热膜系数与传热系数对能量传递效率有非常显著的影响，对传热膜系数及传热系数的考察，广泛应用于不同反应器的设计，在提高能量利用效率方面上具有重要意义。

本实验采用套管换热器，以100℃的水蒸气冷凝来加热空气，通过测定空气进出口温度和孔板压降来计算传热膜系数，并通过加入螺旋片进行强化传热。

通过不同流量下的参数的测定，利用origin 软件计算准数关系式中系数A 和指数m ，得出其准数关系式。

通过两次实验对比发现，强化传热是以增加机械能损耗为代价，因而在工程领域需要综合考虑机械能和传热效率，降低工程流体输送成本。

关键词： 传热膜系数 传热系数 origin 准数关系式
基本理论：
对流传热的核心问题时求算传热膜系数α，当流体无相变时对流传热准数关系式的一般形式为：
R e P r m n p
N u A
G r = （1） 对于强制湍流而言，Gr 数可忽略，即
R e P r m n
Nu A = （2）
在本文中，采用origin 软件对上述准数关系式中的指数m 、n 和系数A 进行
计算机求解。

该方法中，要求对不同变量的Re 和Pr 分别回归。

本实验测取流体被加热过程中的各参数，因而上述式子中的0.4n =，这样式(2)便成为单变量方程，两边同时去对数得：
0.4l g l g l g R e
Pr Nu
A m =+
（3） 利用origin 软件对其作图，采用双对数坐标，利用线性函数y ax b =+对数据进行拟合，即可很好的求解出自变量lg Re 对0.4
lg Pr Nu
的线性关系，最终拟合结果的a 和b 分别对应上述关系式中的m 与lg A 。

对于方程式的关联，首先要有Nu 、Re 、Pr 的数据组。

其特征数定义式分别为
Re ,Pr ,du Cp d
Nu ρ
μ
αμ
λ
λ
=
=
=
实验中通过改变空气的流量，以改变Re 值，根据定性温度（空气进出口温
度的算术平均值）计算相应的Pr 值。

同时，由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数值，进而求得Nu 的值。

牛顿冷却定律为：
m Q A t
α=∆ （4）
式中α——传热膜系数，)2
·
W
m ℃ Q ——传热量，W
A ——传热面积，A dl π=，2m
m t ∆——管壁温度与关内流体温度的对数平均温差，℃
传热量可由下式求得
()()21
21/3600/3600p S
p Q W c t t V c t t ρ=-=-
（5） 式中W ——质量流量，kg h
p c ——流体的比定压热容，()·
J kg ℃ 12,t t ——流体进出口温度，℃
ρ——定性温度下流体密度，3/m h
S V ——流体体积流量，3/m h
空气的体积流量由孔板体积流量计测得，其流量s V 与孔板流量计压降p ∆的关系为：
0.54
26.2s V p =∆ （6）
式中p ∆——孔板流量计压降，kPa S V ——流体体积流量，3/m h 空气的流速为：
2
4s
V u d π=
（7）
流体管路阻力损失为：
f p
h ρ∆=
（8）
式中f h ——流体管路阻力损失，/J kg
∆——管路压降，pa
p
ρ——流体密度，3
kg m
/
实验装置：
1.设备说明：
本实验空气走内管，蒸汽走环隙（玻璃管）。

内管为黄铜管，其内径为0.020m，有效长度为 1.25m。

空气进、出口温度和管壁温度分别由铂电极（Pt100）和热电偶测得。

测量空气进、出口温度的铂电极应置于进、出管的中心。

测量壁温用一支铂电极和一支热电偶分别固定在管外壁两端。

孔板流量计的压差和流过换热管的压降由两个压差传感器测得。

实验室使用的蒸汽发生器由不锈钢材料制成，装有玻璃液位计，加热功率为
1.5kW。

风机采用XGB型漩涡气泵，最大压力17.50kPa，最大流量100m3/h。

2.采集系统说明：
(1)压力传感器
本实验装置采用ASCOM5320型压力传感器，测量范围为0～20kPa。

(2)显示仪表
在实验中所有温度和压差等参数均可由人工智能仪表直接读取，并实现数据的在线采集与控制，测量点分别为：孔板压降、管压降、进口温度、出口温度和两个壁温。

3.流程说明：
本实验装置流程如图1所示，冷空气由风机输送，经孔板流量计计量后，进
入换热管内管（铜管），并与套管环隙中的水蒸气换热。

空气被加热后，排入大气。

空气的流量通过电脑控制的流量调节阀调节。

蒸汽由蒸汽发生器上升进入套管环隙，与内管中冷空气换热后冷凝，再由回流管返回蒸汽发生器。

放气阀门用于排放不冷凝气体。

在铜管之前应设有一定长度的稳定段，用于消除端效应。

铜管两端用塑料管与管路相连，用于消除热效应。

操作要点：
①实验开始前，先弄清配电箱上各按钮与设备的对应关系，以便正确开
启按钮。

②检查蒸汽发生器的水位，使其保持在水罐高度的1/2～1/3。

③打开电源总开关。

④实验开始时，关闭蒸汽发生器补水阀，启动风机，并接通蒸汽发生器
的加热电源，打开放气阀。

⑤将空气流量控制在某一值。

待仪表数值稳定后（3分钟），记录数据，
改变空气流量（8～10次），重复实验，记录数据。

⑥实验结束后，先停蒸汽发生器，再停风机，清理现场。

注意事项：
a．实验前，务必使蒸汽发生器液位合适，液位过高，则水会溢入蒸汽套管；过低则可能烧毁加热器。

b．调节空气流量时，要做到心中有数，为保证湍流状态，孔板压差读数不应从0开始，最低不小于0.1kPa。

实验中要合理取点，以保证数据
点均匀。

c．切记没改变一个流量后，应等到度数稳定后再测取数据。

数据处理
表1.直管相关数据表
表2.混合管相关数据表
数据处理：
本实验的数据处理由如下几个步骤完成：
步骤1：文献[1]给出了各个相应温度下的干空气的物性参数，选取其中部分数据
如附录1所示；
步骤2：利用121
()2
t t t =+求取各个流量下流体的平均温度t ，并利用线性插值，
求得各个平均温度下的相应物性参数，线性插值具体过程如附录2所示：
步骤3：利用平均壁温和流体进出口温度12,t t 求得各流量下的m t ∆，其过程见附表2所示；
步骤4：利用式（6），式（7）求得对应的流量和流速； 步骤5：利用式（5），式（4）求得各流量对应下的传热膜系数α
步骤6：利用Nu 、Re 、Pr 数据组的定义式，求得各流量下的Nu 、Re 、Pr 值
步骤7：利用origin 对lg Re 对0.4lg Pr Nu
作图，并利用其中的拟合命令求解得到对
应的m 与lg A ；
步骤8：利用式（8）对直管和混合管分别计算其在不同流速下的阻力损失。

步骤7中所得的图如下图2所示：
图2. 0.4
Pr
Nu
与Re 关系图
上图origin
步骤8中结果如表6，表7以及图3所示：
表6.直管阻力损失与流量关系表
表7.混合管阻力损失和流量关系表
图3.直管与混合管阻力损失比较
结果与讨论：
1.从表5结果所示，在直管下，0.82877,lg 1.88456
m A
==-在混合管下，==-经过数据转换后，直管的对流传热准数关系式分别
0.88468,lg 1.94859
m A
为：
0.8290.4
Nu=
0.013Re Pr
混合管的对流传热准数关系式为：
0.8850.4
Nu=
0.011Re Pr
2.从表6，表7和图3可知，混合管的空气阻力损失明显比直管大。

综合上述结论可知，流体流动的传热效率的增加是以机械能的损失为代价，在工程中，应综合考虑各项因素。

在避免大的机械能损失前提下，提高流体传热效率，减少成本。

参考文献：
[1]陈敏恒.化工原理(上册).化学工业出版社.第三版.北京:2011.6:268 [2]杨祖荣.化工原理实验.化学工业出版社.北京:2011.8:60-63 附录1.
附录2.
一维插值过程：
已知相邻的两组数据()()1122,,,X Y X Y ,求12,X X 之间的x 所对应的y 值，其具体式子
如下：
()1221
21
()x X Y X x Y y X X -⨯+-⨯=
-
m t ∆求解过程：
()21
12ln(()/)
m t t t T t T t -∆=
--
式中m t ∆——平均对数温度 ℃
12,t t ——分别为冷、热流体温度 ℃ T ——壁温 ℃
1. 本实验中壁温应接近蒸汽温度还是空气温度？为什么？
答：从本实验的数据（表1,2）可知，壁温基本为100℃左右，更加接近于蒸汽温度。

本实验传热系数方程为：
222121112
111
m d d d R R K d d d δαλα=⨯+⨯+⨯++
K 为总的传热系数，1α是空气的传热系数，2α是水蒸气的传热系数，δ是铜管厚度，λ是铜的导热系数，12,R R 为污垢热阻。

因12,R R 和金属壁热阻较小，可忽略不计，则w w T t ≈，所以：
1
2
w w T T T t αα-=
- 壁温接近于传热系数较大的一侧，水蒸气传热系数大，所以壁温更接近蒸汽。

2. 如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α的关联有无影响？
答：对α关联基本无影响。

压强的变化会反应在流量qv ，蒸汽密度，以及进出口的温度变化上，所以不会影响到对α的关联。

3. 以空气为介质的传热实验中雷诺数Re 应如何计算？
答：雷诺数Re =du /ρμ，流速通过孔板压降以及相应的公式求得。

而管径为常数，而空气在不同温度下的粘度和密度，需要通过查表求得几个关键温度下的相应值，并利用内插法求得。

内插法的具体过程附录2已给出。