对流传热系数的测定

1.1 对流传热系数的测定

1. 实验目的

①掌握对流传热系数的测定方法，测定空气在圆形直管内的强制对流传热系数，验证准数关联式。 ② 了解套管换热器的结构及操作，掌握强化传热的途径。

③ 学习热电偶测量温度的方法。

2. 实验原理

冷热流体在间壁两侧换热时，传热基本方程及热衡算方程为：

()出入t t C m t KA Q p s m -==∆ （错误！文档中没有指定样式的文字。-1） 换热器的总传热系数可表示为：

o

i b K αλα111++= （错误！文档中没有指定样式的文字。-2） 式中：Q — 换热量，s J

K — 总传热系数，()

s m J 2⋅

A — 换热面积，2m m t ∆ — 平均温度差，℃

Cp — 比热，()℃kg J ⋅

s m — 质量流量，s kg

b — 换热器壁厚，m

i α、o α — 内、外流体对流传热系数，()s m J 2⋅

依据牛顿冷却定律，管外蒸汽冷凝，管内空气被加热，换热量亦可表示为：

()()w o o w i i T T A t t A Q -=-=αα （错误！文档中没有指定样式的文字。-3） 式中：w t 、w T — 管内（冷侧）、管外（热侧）壁温，℃

t 、T — 管内（冷侧）

、管外（热侧）流体温度，℃ 测定空气流量、进出口温度、套管换热面积，并测定蒸汽侧套管壁温，由于管壁导热系数较大且管壁较薄，管内壁温与外壁温近似相等，根据上述数据即可得到管内对流传热系数，由于换热器总传热系数近似等于关内对流传热系数，所以亦可得到套管换热器的总传热系数。

流体在圆形直管强制对流时满足下述准数关联式:

330800230..Pr Re .Nu = （错误！文档中没有指定样式的文字。-4） 式中：Nu — 努塞尔特准数，λ

αd Nu =，无因次

Re — 雷诺准数，μρ

du Re =，无因次

Pr — 普兰特准数，λμ

Cp Pr =，无因次

测定不同流速条件下的对流传热系数，在双对数坐标中标绘Nu -Re 关系得到一条直线，直线斜率应为0.8。

3. 实验内容

①测定不同空气流量下空气和水蒸汽在套管换热器换热时内管空气的对流传热系数，推算总传热系数。

② 在双对数坐标中标绘Nu -Re 关系，验证准数关联式。

4. 实验装置与流程

（1） 实验装置流程图

（2） 流程简介

如图3-3所示，鼓风机将空气送入换热器内管，风量由阀门4进行调节，并采用孔板流量计5计量流量，进出换热器的温度分别由进出口的温度计7、8读出；蒸汽发生器1将产生的蒸汽送入套管，套管壁温采用热电偶温度测量系统进行测量。 10

7

图3-3 传热实验装置流程示意图

1―蒸汽发生器 2―水位指示管 3―风机 4―风量调节阀 5―孔板 6―U 型管

7―空气进口温度计 8―空气出口温度计 9―热电偶测量系统

10―冷凝回水管 11―外管 12―内管 1

3

4 11 5

9 10 2 6

8 12

5. 实验方法及步骤

①向电加热釜加水至接近液位计上端红线。

②向保温瓶中加入适量的冰水，并将冷端补偿热电偶插入其中。

③将空气流量旁路调节阀4全开，电压调节电位器旋至最小值（逆时针方向）。

④检查数字电压表的测量讯号线是否接好，接通电源，至少预热5分钟。

⑤顺时针方向缓慢旋转电压调节电位器，使电压表的示值为180V ，待水沸腾，水蒸气进入玻璃套管。 ⑥ 加热约10分钟后，启动鼓风机，待空气入口温度稳定后开始测试。

⑦ 调节空气流量旁路阀的开度，使压差计的读数为所需的空气流量值（注意旁路阀全开时，空气流

量为最小值，全关时为最大值）。

⑧ 待玻璃套管中充满蒸汽并有适量冷凝液时算起，约5分钟后可读取数值。

⑨ 重复步骤7、8，分别取10个以上空气流量值（应包括最大和最小流量值）。

⑩ 测试结束后，将加热电压调节电位器旋至最左端（逆时针方向），使电压表、电流表的示值为零；

约5分钟后关闭鼓风机，并将旁路阀全开，切断总电源，停止实验。

6. 实验注意事项

①实验过程中，蒸汽发生器中的水位不能低于液位计下端的红线，否则螺旋形电热管将被烧坏；液位亦不能过高，否则会使水溢入套管。

②启动风机时, 空气流量旁路阀不能关上，否则会把U 型压差计中的液体冲出。

附：实验装置流量与温度校正数据 空气流量公式：.h m 472.23472.0R V =，R 单位为mm

蒸汽侧壁温与测温热电偶电势关系：()℃6.02.22-=E T ， E 单位为mv

空气进出口温度校正：()[]℃5.212+-=∆t t t

7. 思考题

①本实验要想提高K 值应当增加哪一个管内的流体流量？

②铜管内壁的温度与哪一种流体的温度相接近？

③本实验中若套管间隙中有不凝性气体存在，对传热有什么影响？

④实验中所测的壁温接近蒸汽侧温度还是空气侧温度？

⑤传热过程的稳定性受哪些因素的影响？