对流传热系数的测定

01 对流传热系数的测定

一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）

三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤

五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）

七、讨论、心得

一、实验目的和要求

1.掌握空气在普通和强化传热管内的对流传热系数的测定方法，了解影响传热系数的因素和强化传热

的径。

2.把测得的数据整理成B Re n

Nu=∙形式的准数方程式，并与教材中相应公式进行比较。

3.了解温度、加热功率、空气流量的自动控制原理和使用方法。

二、实验内容和原理

在实际生产中，大量情况采用的是间壁式换热方式进行换热，就是冷、热流体之间有一固体壁面，两流体分别在固体壁面的两侧流动，不直接接触，通过固体壁面进行热量交换。

本实验主要研究汽—气综合换热，包括普通管和强化管。其中，水蒸气和空气通过紫铜管间接换热，空气走紫铜管内，水蒸气走紫铜管外，采用逆流换热。所谓加强管，是在紫铜管内加了弹簧，增大了绝对粗糙度，进而增大了空气流动的湍流程度，使换热效果更明显。

1. 空气在普通和强化传热管内对流传热系数的测定

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。

T

t

Figure 1间壁式传热过程示意图

间壁式传热元件，在传热过程达到稳态后，有

()()()()111222211122--α-α-Δp p W W m M m Q m c T T m c t t A T T A t t KA t =====（1）

式中：Q ——传热量，s J /；

1m 、2m ——分别为热流体、冷流体的质量流量，s kg /；

1p c 、2p c ——分别为定性温度下热流体、冷流体的比热，()C kg J °•/；

1T 、2T ——分别为热流体的进、出口温度，C °；

1t 、2t ——分别为冷流体的进、出口温度，C °；

1α、2α——分别为热流体、冷流体与固体壁面的对流传热系数，()2/W m C ∙︒；

1A 、2A ——分别为热流体、冷流体测的传热面积，2m ；

()W M T T -、()w m t t -——分别为热流体、冷流体与固体壁面的对数平均温差，C °； K ——以传热面积A 为基准的总传热系数，(

)C m W °•2/； A ——传热面积，2m ；

m t Δ——冷、热流体的对数平均温差，C °。

热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（2）计算：

()()()112211

22

----ln -W W W m W W T T T T T T T T T T -=

（2）

式中：1W T 、2W T ——分别为热流体进、出口处热流体侧的壁面温度，C ︒。 冷流体与固体壁面的对数平均温差可由式（3）计算：

()()()112211

22

----ln -W w w m

W W t t t t t t t t t t -=

（3） 式中：1W t 、2W t ——分别为冷流体进、出口处冷流体侧的壁面温度，C ︒。 热、冷流体间的对数平均温差可由式（4）计算：

()()12211221

---Δ-ln -m T t T t t T t T t =

（4）

冷流体（空气）质量流量2m 可由式（5）计算：

20'ρm V =（5）

式中：'V ——空气实际体积流量，s m /3；

0ρ——空气在孔板处的密度，3/m kg 。本实验中0ρ即为空气在进口温度下对应的密度。

无纸记录仪上显示的体积流量是将孔板处的空气密度0ρ当作13

/m kg 时的读数，因此，如空气实际密度不等于该值，则空气的实际体积流量应按下式（6）进行校正：

'V =

（6） 式中：V ——无纸记录仪上显示的空气的体积流量，s m /3。

在本装置的套管加热器中，环隙内通水蒸气，紫铜管内通空气，水蒸气在紫铜管表面冷凝放热而加热空气。当内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度较薄时，可认为11≈W W t T ,22≈W W t T ，在传热过程达到稳定后，由式（1）可得：

()()222122-α-p W m m c t t A t t =（7）

即()()222122-α-p W m

m c t t A t t =

（8）

实验中测出紫铜管的壁温1W t 、2W t ；冷流体的进出口温度1t 、2t ，并查取()121

2

t t t =

+平均下冷流体对应的2p c 、实验用紫铜管的长度l 、内径2d ，l d A 22π=和冷流体的质量流量2m ，即可计算出2α。

一般情况下，直接测量固体壁面温度，尤其是管内壁温度，实验技术难度较大，因此，工程上通常

采用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的对流传热系数，下面介绍其他测定对流传热系数2α的实验方法。

近似法求算空气侧对流传热系数2α

以管内壁面积为基准的总传热系数与对流传热系数间的关系为：

1

12121222αλα1

1d d d d R d bd R K S m S ++++=（9） 式中：1d 、2d ——分别为换热管的外径、内径，m ；

m d ——换热管的对流平均直径，m ；

b ——换热管的壁厚，m ；

λ——换热管材料的导热系数，(

)C m W °•/； 1S R 、2S R ——分别为换热管外侧、内侧的污垢热阻，W K m /2∙。

总传热系数K 可由式（1）求得：

()2221-ΔΔp m m

m c t t Q

K A t A t ==（10）

实验测定2m 、1t 、2t 、1T 、2T ，并查取()212

1

t t t +=平均下冷流体对应的2p c 、传热面积A ，即可由上式计算得到总传热系数K 。

用本装置进行实验时，考虑忽略换热管两端的污垢热阻、铜管热阻和水对流传热系数远大于空气对流传热系数，则由式（9）得，

K ≈α2（11）

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，此法测得的2α的准确性就越高。

2．准数方程式

对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，传热准数经验式为：

n Nu Pr Re 023.08.0=（12）