热质交换原理实验讲义分析解析

翅片管束管外传热和阻力测定实验指导书

一、 实验目的

1． 了解热工实验的基本方法和特点；

2． 学会翅片管束管外传热和阻力的实验研究方法；

3． 巩固和运用传热学课堂讲授的基本概念和基本知识； 4． 培养学生独立进行科研实验的能力。

二、 实验内容

1． 熟练实验原理和实验装置，学习正确使用测温差、测压力、测流速、测热量等仪表。 2． 正确安排实验，测取管外传热和阻力的有关实验数据。

3． 用威尔逊方法整理实验数据，求得管外传热系数的无因次关联式；同时，也将阻力

数据整理成无因次关联式的形式。

4． 对实验设备、实验原理、实验方案和实验结果进行分析和讨论。

三、 实验原理

1． 翅片管是换热器中常用的一种传热元件，由于扩展了管外传热面积，故可使光管的

传热热阻大大下降，特别适用于气体侧换热的场合。 2． 空气（气体）横向流过翅片管束时的对流传热系数除了与空气流速及物性有关以外，

还与翅片管束的一系列几何因素有关，其无因次函数关系可示如下：

N u =f (R e 、P r 、

0D H 、0D δ、0D B

、0D P t 0

D P l 、N) （1） 式中：N u =

να0D ⋅为e Nuss lt 数； e R =νm U D ⋅0=η

m

G D ⋅0 为Re nolds 数；

P r =

αν=λ

η

⋅p C 为andtl Pr 数； H 、δ、B 分别为翅片高度、厚度和翅片间距；

t P 、l P 为翅片的横向管间距和纵向管间距；N 为流动方向的管排数；

D 0为光管外径；U m 、G m 为最窄流通截面处的空气流速m/s 和质量流速（2

kg m s ）； 且G m =U m ρ⋅ ； λ、ρ、η、ν、α为气体的物性值。

排管束中流体的紊流度较大，故其管外传热系数会高于顺流的情况。

对于特定的翅片管束，其几何因素都是固定不变的，这时，式（1）可简化为：

e u R

f N (=，)r P （2）

对于空气，P r 数可看作常数，故

)(e u R f N = （3）

式（3）可表示成指数方程的形式：

n

e u CR N = （4）

式中C 、n 为实验关联式的系数和指数。这一形式的公式只适用于特定几何条件下的管束。

为了在实验公式中能反映翅片管和翅片管束的几何变量的影响，需要分别改变几何参数 进行实验并对实验数据进行综合整理。

3．对于翅片管，管外传热系数可以有不同的定义公式，可以以光管外表面为基准定义传热

系数，也可以以翅片管外表面积为基准定义。为了研究方便，此处采用光管外表面积为基准，即：

h =

)

(00w T T L D n Q

-⋅⋅⋅απ （5）

式中：Q 为总传热量（W ）；n 为传热管子的根数；L D 0π为一支管的光管换热面积（㎡）；αT 为空气平均温度（℃）

；wo T 为光管外壁温度（℃）；此处，h 的单位为（W/m 2·℃）。 4．如何测求翅片管束平均管外传热系数h 是实验的关键。如果直接由式（5）来测求h ，势

必要测量管壁平均温度wo T ，这是一件很困难的任务。采用一种工程上更通用的方法，即：威尔逊方法测求管外传热系数，这一方法的要点是先测求出传热系数，然后从传热 热阻中减去已知的各项热阻，即可间接地求出管外传热热阻和传热系数。即：

h

1=W l

R h K --1

1 （6） 式中：K 为翅片管内壁的传热系数，可由实验求出：

)

(0ανπT T L D n Q

K -⋅⋅⋅=

（7）

其中：νT 代表管内流体的平均温度；

l h 是管内流体对管内壁的传热系数，可由已知的传热规律计算出来； W R 由管壁的导热公式计算；

应当指出，当管内传热系数l h >>h 时，管内热阻

l

h 1

将远远地小于管外热阻h 1，这

时，l h 的某些计算误差将不会明显地影响管外传热系数h 的大小。

５．为了保证h 有足够大的数值，一般实验管内需采用蒸汽冷凝传热的换热方式。本实验

系统中，采用热管作为传热元件，将实验的翅片管，作为热管的冷凝管，即热管内部的蒸汽在翅片管内冷凝，放出汽化潜热，通过管壁，传出翅片管外，这就保证了翅片

管内的冷凝过程。这时，管内传热系数l h 可用Nusselt 层流膜层凝结原理公式进行计算，即：

3

1)

4(

88.1-

Γ

=η

l h 31

2

23)(η

ρλg （8） 式中，i

D rn Q

π=

Γ （9）

为单位冷凝宽度上的凝液量（kg s m ⋅），其中，r 为汽化潜热（J kg ），i D 为管子内径,式（8）中第2个括号中的物理量为凝液物性的组合。 圆筒壁的导热热阻为

i

w W D D

D R 0

0ln 2λ=

(

2m ℃/W ) （10）

应当注意：式（6） 中的各项热阻都是以光管外表面积为基础的。

四、 实验设备

实验的翅片管束安装在一台低速风洞中,实验装置和测试仪表如图1所示。实验装置由有机玻璃风洞、试验管件、加热管件、风机支架、测试仪表等六部分组成。

有机玻璃风洞由带整流隔栅的入口段、平稳段、前测量段、工作段、后测量段、收缩段、测速段、扩压段等组成。工作段和前后测量段的内部横截面积为300⨯300mm 。工作段的管束及固定管板可自由更换。

实验管件由两部分组成：单纯翅片管和带翅片的实验热管，但外形尺寸是一样的，采用顺排排列，翅片管束的几何特点如表1所示。

表1：

4根实验热管组成一个横排，可以放在任何一排的位置上进行实验。一般放在第3排的

位置上，因为实验数据表明，自第3排以后，各排的传热系数基本保持不变了。所以，这样测求的传热系数代表第3排及以后各排管的平均传热系数。

试验热管的加热段由专门的电加热器进行加热，电加热器的电功率由电流、电压表进行测量。加热功率可直接由电压乘以电流得到。实验管的加热功率可由下式得到：