传热系数与给热系数

传热系数K和给热系数a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= KAT t

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= h A h T t wi (2)或Q= c A c t w2 t

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

t wi t w2

由热量平衡和忽略热损失，可将(2) (3)、( 4 )式写成如下等式

Q=

t wi t wi t w2 t w2 t

1

h A h A c

T t

1

KA

(5)所以

(1)

(3)

图1传热过程示意图

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 析方法和n 定理，热量传递范畴基本因次有四个：[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 - f 1, 2 (8)

要研究上式的因果关系，尚有n =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1, 2进行研究，之后再将1, 2 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1 >> 2时，K 2，反之当1 « 2时，K 1。欲提高K 设法强化 给热系数小的一侧 ，由于设备结构和流体已定，从(9)式可知，只要温度变化 不大，1只随U 1而变，

1 f d 1, U 1, 1, 1, C p1, 1 (9)

改变U 1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 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内构件，导致强化给热系数。

由(9)式，n 定理告诉我们，n = 7-4 = 3个无因次数群，即:

经无因次处理，得:

Nu a °Re b Pr C

f d i , i , i ,U i , 2, 2,C p2, 2,U 2 = f 6,2,5

( 7)

f d 1,U 1, 1,

1, C p1, 1 d f du c p (10)

如果温度对流体特性影响不大的系统，并且温度变化范围不大，则式(11)可改写为：Nu a Re b

式中：a a 。Pr c 。

2 .传热系数K 和a 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

----- 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;

t m 上、t m 下---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 KA 其中 其中: t mh (T t

2 ) (T tj

,T t

2

ln T t 1

c C pc (t 2 G

A t m

(t m 上 t 2)

(

t -m 下 11 ) t m 上 t 2

ln t m 下 t 1

(T t m 上 ) (T t m 下)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

t m = W c p c C pc (t 2-t 1) W c t m t mc ln^^上

T

t m 下

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

六.实验结果讨论与分析

1、从理论及经验公式可知：Nu=

(1)光滑管内F e > 10000即流动是充分湍流的，这一点是重要的；

(2)0.7 v R V 160;

(3)流体是低粘度的(不大于水粘度的2倍)；

(4)l/d >30〜40即进口段只占总长的很小一部分，而管内流动是充分发展的。

本实验关联的N u=，造成偏差的原因可能有哪些？

0.4 0.8 0.8

2、整理0.023—04初，由此式分析：物性参数中、u、d对给热

.d .

系数a的影响，其中哪个参数影响最大？