对流传热系数测定实验

对流传热系数测定实验一、实验目的a)测定空气在传热管的对流传热系数，掌握空气在传热管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=BRe n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 T w1、T w2. 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管（紫铜管），与来自蒸汽发生器的饱和水蒸汽在套管换热器进行换热。

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T w1、T w2同样也分别由埋在管（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m0t ∆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m01K t A Q ∆⋅⋅= （１）即：m01K t A Q∆⋅=（２）式中： Q ——传热速率，W （瓦）；K ——空气总传热系数，W/m 2.℃；A 1——换热管外表面积，m 2；本实验中A 1=0.0754 m 2m0t ∆——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)(12t t Cp W Q -⋅⋅= （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。

t 1、t 2——换热管空气的进、出口温度，℃。

1.2 空气质量流量W 的计算ρ⨯=V W (4) 式中： V ——空气的体积流量，m 3/h ；ρ——孔板处空气密度，kg ／m 3。

其中：ρ1000⨯∆P =CV (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，ρ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：TR P P M A ⨯+⨯=)(0ρ (6)式中： M A ——空气的摩尔质量，kg/kmol ；本实验中，M A =29.0 kg/kmol 。

P 0——大气压，kPa ；本实验中，P 0=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+ t 1。

1.3 对数平均温差Δt m0的计算21210ln t t t t t m ∆∆∆-∆=∆ (7) 其中：101t T t W -=∆ 202t T t W -=∆ (8)式中：T W0——蒸汽进口温度，℃。

（T W0对应实验装置的T 测温点）2．测定空气传热系数a 1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：)(11t T A Q W -⋅⋅=α (9)式中： Q ——传热速率，W （瓦）；a 1——空气传热系数，W/m 2.℃；A 1——换热管表面积，m 2；本实验中A 1=0.0603 m 2T W ——套管换热器管的管壁温度，℃； t ——换热管空气温度，℃。

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：m t A Q ∆⋅⋅=11α （10）即：mt A Q∆⋅=11α （11）式中： m t ∆——换热管两端的对数平均温差，℃。

2.1 传热速率Q 的计算)(12t t Cp W Q -⋅⋅= （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。

t 1、t 2——换热管空气的进、出口温度，℃。

2.2 空气质量流量W 的计算ρ⨯=V W (13) 式中： V ——空气的体积流量，m 3/h ；ρ——孔板处空气密度，kg ／m 3。

其中：ρ1000⨯∆P =CV (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，ρ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：TR P P M A ⨯+⨯=)(0ρ (15)式中： M A ——空气的摩尔质量，kg/kmol ；本实验中，M A =29.0 kg/kmol 。

P 0——大气压，kPa ；本实验中，P 0=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+ t 1。

2.3 对数平均温差Δt m 的计算2121ln t t t t t m ∆∆∆-∆=∆ (16) 其中：121t T t W -=∆ 212t T t W -=∆ (17)式中：T W 1、T W 2——空气出口和进口侧的管壁温度，℃。

3．确定准数方程式Nu=BRe n空气在圆形直管作强制对流时，Nu 与Re 之间存在如下关系：n Nu Pr Re 023.08.0= (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，在实验温度围附近，普兰特准数Pr ≈0.7，代入( 10 ) 式可得如下简化关系式：8.0Re 02.0=Nu (19)因此，当空气在管作强制对流传热时，其准数方程式可表示成：Nu=BRe n (20) 其中：μμρ2Re A dWdu ==(21)λαdNu 1=(22) 式中：Nu ——努塞尔数; Re ——雷诺数;u ——换热器空气的流速，m/s;d ——换热器管的径，m; A 2——换热器管的截面积，m 2;μ——定性温度下空气的粘度，Pa.s;λ——定性温度下空气的导热系数，W/m.℃。

将测得的a 1～W 数据，根据式（13）和（14），算出相应的Nu ～Re 值，然后将算得的Nu 、Re 值，标绘在以Re 为横坐标轴、以Nu 为纵坐标轴的双对数坐标上，绘成直线，根据求出的该直线的斜率和截距，从而可确定准数方程式中的指数n 和系数B 。

五、实验操作步骤和注意事项1． 先给蒸汽发生器的水箱加水，直到加水装置的水位不下降为止，实验中应及时加水，保证加水装置始终都维持有一定的水位。

（有关蒸汽发生器的具体操作说明，请参照本装置所附的蒸汽发生器相关使用说明书。

）具体使用要求如下：1）每天第一次运行前必须将蒸汽阀门打开，然后打开排污阀门，使炉的水及污物完全排尽。

2）检查水箱以保证水箱无杂物，否则将损坏水泵或卡死止回阀。

3）关闭排污阀，蒸汽阀门仍开启，开启蒸汽发生器的电源开关，此时发出缺水报警，水泵运转对蒸发器补水，直至炉水位高于低水位时停止报警，达到高水位时水泵停止补水。

4）蒸汽发生器每天至少排污一次。

每天工作完毕后，应在断电15分钟后进行排污（否则会烧坏电热管）。

排污时应注意安全，防止烫伤。

5）蒸汽发生器所需用水规定为软水或蒸馏水。

6）电控箱、水泵电机等部位应避免受潮进水，以防烧毁。

设备应经常保养，保持清洁。

操作步骤如下： 1）确认水、电源接通。

2）打开水源的阀门，向蒸汽发生器水箱注水。

3）打开电源开关，电源灯（Power ）亮，水泵灯（Water Pump ）亮。

4) 打开水泵放气，将管道的空气排净。

5）水泵开始运转，并向蒸汽发生器加水。

此时低水位灯（Low Water ）亮，蜂鸣器报警。

6）水满之后，水泵停止运转，蜂鸣器停止鸣叫，正常灯（Normal ）亮。

7）电热管开始加热、加热灯（Heating ）亮。

2． 全关风机出口的旁路阀、蒸汽发生器上面的排污阀、放汽阀，全开放空阀、空气流量调节阀、蒸汽流量调节阀和蒸汽发生器上面的进水阀。

3． 开启仪表柜上的电源总开关、变频器、无纸记录仪和蒸汽发生器电源开关，再开启蒸汽发生器上的电源开关，此时蒸汽发生器将进入自动工作状态。

利用无纸记录仪和变频器来控制管路流量步骤：a)观察无纸记录仪屏幕，有自动/手动两种控制方式可供选择，现以手动为例，设置好MV（输出百分比），按下变频器上“RUN”，开始运行。

注意：不允许私自随意改变无纸记录仪的各设定参数4．打开计算机，调整计算机分辨率在1024×768，运行上位机监控工程软件，进入传热系数测定实验流程示意图界面。

在该界面上可监视蒸汽温度、空气进出口温度、换热管进出口侧的管壁温度、孔板流量计的压差和空气压力等过程变量值。

当蒸汽发生器有蒸汽产生时（此时可看到在实验装置的放空口处有蒸汽流出），开启仪表柜上的风机开关。

实验过程中，从最大流量处开始做起。

在第一个空气流量下，应使实验装置持续稳定运行20分钟以上才可认为其传热已达到稳定，此时，点击计算机操作界面上的“采集数据”按钮，可把该空气流量下的所有实验数据（分别是孔板两侧的压差、管空气的压力、蒸汽温度、空气进出口温度和换热管两端的管壁温度）记录到计算机操作界面右侧的原始数据记录表格上5．调节阀F2的开度，此时空气流量相应减小。