总传热系数与对流传热系数的测定

一、实验目的

1．了解间壁式换热器的结构与操作原理；

2．学习测定套管换热器总传热系数的方法；

3．学习测定空气侧的对流传热系数；

4．了解空气流速的变化对总传热系数的影响。

二、实验原理

本实验采用套管式换热器，热流体走管间，为蒸汽冷凝，冷流体走内管，为空气。该传热过程由水蒸气到不锈钢管外管壁的对流传热、从外管壁到内管壁的传导传热、内管壁到冷水的对流传热三个串联步骤组成。

实验流程如图1所示。

图1. 传热实验装置流程图

1-空气流量调节阀  2-转子流量计   3-蒸汽调节阀    4-蒸汽压力表   5-套管换热器    6-冷凝水排放筒

7-旋塞     8-空气进口温度计     9-空气出口温度计     10-不凝气排放口

套管换热器5由不锈钢管（或紫铜管）内管和无缝钢外管组成。内管的进出口端各装有热电阻温度计一支，用于测量空气的进出口温度。内管的进、出口端及中间截面外壁表面上，各焊有三对热电偶，型号为WRNK-192。

不锈钢管规格F21.25´2.75，长1.10米     S=pd_oL=0.0734m²

紫铜管F16´2，长1.20米                S=pd_oL=0.0603m²

转子流量计（空气，0~20m³/h，20℃）

数字显示表SWP-C40

此设备的总传热系数可由下式计算：

               其中  

式中：——传热速率，W；

 ——传热面积，m²；S=pd_oL

——对数平均温度差，℃

——饱和蒸汽温度，℃，根据饱和蒸汽压力查表求得；

——分别为空气进、出口温度，℃。

通过套管换热器间壁的传热速率，即空气通过换热器被加热的速率，用下式求得：

， W

其中，C_p应取进、出口平均温度下空气的比热容。W=V_s×r，其中r为进口温度下空气的密度。

对流传热系数的计算公式为

式中

S─内管的内表面积，m²；

a─空气侧的对流传热系数，W/(m²×°C)；

Dt_m─空气与管壁的对数平均温度差，°C。 

所得到的a值可以仿照Dittus-Boelter equation进行关联：

式中

Re─Reynolds number雷诺准数，

Pr─Prandtl number普朗特准数，

空气的物性参数应取进、出口平均温度下的值。

实验过程中，蒸汽阀门和冷凝水排放阀都应保持开通，避免冷凝水在器内积存。

空气的流量V_s由转子流量计测得，单位为体积流量m³/h。当通过转子流量计的空气温度不是20℃是，需根据密度变化进行流量校正。若转化为质量流量，需根据通过转子流量计的空气的温度查表得到水的密度，此温度即空气入口处温度。

实验过程中，锅炉内的水蒸气压力由控温仪自动控制在0.05（0.04）MPa，此压力为表压力，水蒸气的温度应由其绝对压力查表得到。在此，水蒸气温度为110.4（109.4）℃。

三、实验步骤

1．实验开始时，先开通锅炉加热器开关，等待蒸汽压力达到设定的0.05MPa，打开放气阀及冷凝水排出阀使套管中空气及积聚的冷凝水排净。放气阀在整个实验过程中，稍稍开启，以便不凝性气体能连续排出，不致积累。然后，打开气泵，通空气，并保持旁路始终开通，避免气泵因憋气过热而烧坏。

2．调节空气的流量，从低流速开始，做8个点，每点测量时必须待流速稳定，加热蒸汽压强维持稳定，空气出口温度不变后，才可记录数据。需记录的数据包括：空气的流量和进、出口温度。

3．实验完毕后，关闭气泵，关闭加热电源。

四、数据处理与讨论

1．总传热系数K的测定

本实验所用的装置为不锈钢管，相应的数据处理如下：

不锈钢管外表面积=0.0734m²   内管横截面积1.9473´10^-4 m²   蒸汽温度T=110.4℃

表1. 总传热系数的测定数据与处理结果

以第三组数据为例：

平均温度t_m=(32.5+96.4)/2=64.45°C

查表，在此温度下空气的比热容为1.007kJ/(kg×°C)

在32.5°C的进口温度下，密度为1.155kg/m³

若不对流量计读数进行校正，可采用如下计算方法

若对流量计进行温度校正，则需采用以下步骤

误差为

结果表明，K值随空气流量的增加而增大，其值接近空气侧的a。

2．空气侧对流传热系数a_i的测定

本实验所用的装置为不锈钢管，相应的数据处理如下：

不锈钢管内表面积= 0.0544m²   内管横截面积1.9473´10^-4 m²   蒸汽温度T=109.4℃

46℃时空气的密度r=1.107kg/m³      70℃时空气的比热容C_p=1.009kJ/(kg×°C)

表2. 对流传热系数的测定数据与处理结果

以第一组数据为例，其计算过程如下

计算结果列于表1中，空气的a_i与平均流速u的关系绘于图2中的对数坐标中。由图中曲线可以看出，其斜率为0.87，接近Dittus-Boelter equation中的0.8。

比较表1和2中的总传热系数和对流传热系数，可以看出：K值与a_i值接近（因为不是同一次实验，K值比a_i值小）。原因在于水蒸气膜状冷凝的a_o值很大，在5000以上，与a_i值相比，其热阻可以忽略。

图2. 实验测定空气侧对流传热系数a_i与管内平均流速u的关系

五、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？

因为水蒸汽冷凝的对流传热系数要远大于空气的对流传热系数，而总热阻的大小总是决定于值最大的单步热阻，所以提高空气的流动速度可提高K的值。

2．  不锈钢管内壁的温度与哪一种流体的温度相接近？

多步串联传热过程中，每步的温差与该步的热阻成正比，内外侧对流传热的热阻比较，水蒸气冷凝的对流传热系数大，热阻小，所以该步的温差小，即内管壁的温度接近于水蒸汽的温度，这也与实验过程观测到的现象一致。

3. 转子流量计读数是否准确，如何校正？

转子流量计在出厂时是根据20°C、101kPa下的空气进行标定的，实际情况与之不符时，需根据密度进行校正。校正公式为

4．不凝性气体对冷凝传热有何影响？

不凝性气体能严重降低冷凝传热系数，1%的不凝性气体可使a_i值减小50%。应及时排出不凝性气体，避免在蒸气腔内积累。

    5. 空气侧的对流传热系数与空气平均流速成何关系？

    在湍流强制对流的条件下，根据Dittus-Boelter equation，管内流动a_i与u^0.8成线性关系。本实验测定结果与此相近。

第二篇：化工原理实验数据---传热膜系数测定

非强化传热ft2t1T1T2p频率（HZ）出口温度进口温度壁温1壁温2空气压力（孔板压降）

5066.440.596.596.34.784769.344.396.796.54.264469.143.296.996.63.774168.541.996.996.63.31386839.797.196.72.863567.237.697.196.82.463266.135.197.296.82.072965.533.697.296.81.722665.131.897.296.81.392364.830.397.396.81.1

强化传热ft2t1p频率（HZ）出口温度进口温度壁温1壁温2空气压力（孔板压降）

5076.643.897.196.81.914778.448.897.296.71.71447950.497.296.81.524179.149.997.396.81.333878.948.397.296.81.163578.646.297.396.913278.143.497.3970.842977.540.597.396.90.712677.237.997.396.90.572377.835.697.296.70.46

1.770833

0.571451.8143320.595721.8381880.608781.8444440.612181.8843750.63361.9024390.643141.9144540.349431.9246380.654741.9541550.669951.980114

0.68315

2.4017090.876182.370370.863052.361905

0.86301

Vs

60.9806957.3036753.6445550.0044246.2103242.5996738.8083635.1145131.2989227.58375

Vs

37.158635.0041232.8470830.5619628.38629

26.223.8458121.7761319.3407717.22624

2.397129

2.450237

2.514019

2.584475

2.644444

2.723684

2.9009010.874270.896180.921880.949520.972461.0021.06502

平均温度流体密度Cp

53.451.0931.00556.81.061.00556.151.061.00555.21.061.00553.851.0931.00552.41.0931.00550.61.0931.00549.551.0931.00548.451.0931.00547.551.0931.005

m^2

A(管面积)Q

0.0003140.4819210.0003140.4239280.0003140.4111450.0003140.3936040.0003140.3990330.0003140.3847530.0003140.3670880.0003140.3417910.0003140.3180220.0003140.290373c

对数平均数a

45.32330.13538341.966020.12861942.54410.12304543.451270.11533744.66540.11374946.024190.1064488.715910.05268448.721630.0893249.70520.08146450.501350.073209

24.517525.0224.922524.7824.577524.3624.0923.932523.767523.6325

W/(m*c)热导率0.2451750.25020.2492250.24780.2457750.24360.24090.2393250.2376750.236325

平均温度流体密度CpQ对数平均数

60.21.061.0050.0003140.36066437.435230.12266863.61.061.0050.0003140.30660634.296970.11382464.71.061.0050.0003140.27799233.139820.10680564.51.061.0050.0003140.26407933.399290.10067163.61.061.0050.0003140.25703934.144930.09584862.41.061.0050.0003140.25119835.145570.09100360.751.061.0050.0003140.24485636.544780.085309591.061.0050.0003140.23842538.047840.07978757.551.061.0050.0003140.22492439.221560.07301656.71.061.0050.0003140.21511639.623670.069124

25.53

26.0426.20526.17526.0425.8625.612525.3525.132525.005

热导率0.25530.26040.262050.261750.26040.25860.2561250.25350.2513250.25005

第一个

4.577

4.55753

4.52379

4.48529

4.443

4.39428

4.34041Re

27708.9925883.624222.922548.8320990.0819430.9317757.4316286.9614517.9812958.29

传热面积0.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.07854

y

1.92433

1.88521

1.85546

1.83016

1.81056

1.79036

1.76552

1.73989

1.70426

1.68215RexNu/Pr^0.4y

27708.994.442684.00991.9243325883.64.41376.774411.8852124222.94.3842371.689841.8554622548.834.3531267.632531.8301620990.084.32264.64951.8105619430.934.2884961.710521.7903617757.434.2493858.279521.7655216286.964.2118454.940571.7398914517.984.1619150.612371.7042612958.294.1125548.10152

1.68215

传热面积0.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.078540.07854