传热系数与给热系数

传热系数K 和给热系数α的测定 一. 实验目的 1. 了解间壁式传热元件的研究和给热系数测定的实验组织方法； 2.

掌握借助于热电偶测量壁温的方法； 3.

学会给热系数测定的试验数据处理方法； 4. 了解影响给热系数的因素和强化传热的途

径。

二. 基本原理

１．传热系数K 的理论研究

在工业生产和科学研究中经常采用间壁式换热装置

来达到物料的冷却和加热。这种传热过程系冷、热流体

通过固体壁面进行热量交换。它是由热流体对固体壁面

的

对流给热，固体壁面的热传导和固体对冷流体的对

流给热三个传热过程所组成。如图1所示。

由传热速率方程知，单位时间所传递的热量

Q=()t T KA - （1） 而对流给热所传递的热量，对于冷、热流体均可由牛顿冷却定律表示

Q=()1w h h t T A -α （2）

或 Q=()t t A w c c -2α （3）

对固体壁面由热传导所传递的热量，则由傅立叶定律表示为

Q ()21w w m t t A -⋅=δ

λ （4） 由热量平衡和忽略热损失，可将（2）、（3）、（4）式写成如下等式

Q=KA

t T A t t A t t A t T c c w m w w h h w 1

112211-=-=-=-αλδα （5）所以 c c m h h A A A K αλδα111

++=

（6） ()22222111111,,,,,,,,,,,,u c u c d f K p p λμρδλλμρ=＝()5,2,6f （7）

从上式可知，除固体的导热系数和壁厚对传热过程的传热性能有影响外，影响传热过程的参数还有12个，这不利于对传热过程作整体研究。根据因次分图1传热过程示意图

析方法和π定理，热量传递畴基本因次有四个：[L],[M],[T],[t] ,壁面的导热热阻与对流给热热阻相比可以忽略

K ≈()21,ααf （8）

要研究上式的因果关系，尚有π=13-4=9个无因次数群，即由正交网络法每个水平变化10次，实验工作量将有108次实验，为了解决如此无法想象的实验工作量，过程分解和过程合成法由此诞生。该方法的基本处理过程是将(7)式研究的对象分解成两个子过程如(8)式所示，分别对21,αα进行研究，之后再将21,αα合并，总体分析对K 的影响，这有利于了解影响传热系数的因素和强化传热的途径。

当1α＞＞2α时，2α≈K ，反之当1α＜＜2α时，1α≈K 。欲提高K 设法强化给热系数小的一侧α，由于设备结构和流体已定，从(9)式可知，只要温度变化不大，1α只随1u 而变，

()1111111,,,,,λμραp c u d f = (9) 改变1u 的简单方法是改变阀门的开度，这就是实验研究的操作变量。同时它提示了欲提高K 只要强化α小的那侧流体的u 。而流体u 的提高有两种方法：

（１）增加流体的流量；

（２）在流体通道中设置绕流构件，导致强化给热系数。

由(9)式，π定理告诉我们，π=７－４＝３个无因次数群，即：

()1111111,,,,,λμραp c u d f = ⇒

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=λμμ

ρλαp c du f d , (10) 经无因次处理，得： c b o a Nu Pr Re = (11) 如果温度对流体特性影响不大的系统，并且温度变化围不大，则式(11)可改写为：b a Nu Re =

式中：c o a a Pr =。

２．传热系数K 和α的实验测定

实验装置的建立依据如下热量衡算式和传热速率方程式，它是将(5)和(6)式联立,则

KA ∆t m = W c ρc C pc (t 2-t 1) (12)

其中 1

212m t T t T ln )t T ()t T (t -----=∆ (13) m

pc c c t A t t C W K ∆-=)

(12ρ (14) ()

()

1212t t c W t A t t c W t A pc c c mh h h pc c c mc c c -=∆-=∆ραρα 其中： 1

212ln )()(t t t t t t t t t m m m m mc -----=∆下上下上 (15) 下上下上m m m m mh t T t T ln )t T ()t T (t -----=

∆ (16) ---------若实验物系选定水与水蒸汽,由(8)、(9)式告诉我们,实验装置中需要确定的参数和安装的仪表有：

A-------------由换热器的结构参数而定；

W c ------------测冷流体的流量计；

t 1、t 2---------测冷流体的进、出口温度计；

T 、P---------测热流体的温度计，蒸汽压力；

C pc ------------由冷流体的进、出口平均温度决定；

下上、m m t t ---由热电偶温度计测定。

将以上仪表、换热器、气源、及管件阀门等部件组建成如下实验装置图。

三．实验装置图

四．实验步骤

1．先开蒸汽加热开关, 再开气源和空气转子流量计。

2．打开不凝性气体放气阀，“开-关”重复三次。

3．整个实验操作控制蒸汽压力恒定在0.05Mpa以下某一刻度，改变唯一操作变量即空气转子流量计阀门开度，达到改变流速的目的。

4．实验布点采用小流量和打流量分别布点集中原则，因为是直线原因。

5．待冷流体出口温度显示值保持5min以上不变时方可同时采集实验数据。

6．实验结束时，先关蒸汽进口调节阀，保持空气继续流动10min，以足够冷却壁温，保护热电偶接促正常。

7．上机数据处理的直线相关系数要求R≥0.93，否则，实验重做。

五．实验结果及数据处理