实验三、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。

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：对流传热实验报告

太原理工大学

化工原理实验报告

实验名称：对流传热系数的测定

一、实验预习（30分）

1．实验装置预习（10分）＿＿＿＿＿年＿＿＿＿月＿＿＿＿日

指导教师＿＿＿＿＿＿（签字）  成绩       

2．实验仿真预习（10分）＿＿＿＿＿年＿＿＿＿月＿＿＿＿日

指导教师＿＿＿＿＿＿（签字）  成绩       

3．预习报告（10分）

指导教师＿＿＿＿＿＿（签字）  成绩       

（1）实验目的

（2）     实验原理

（3）         实验装置与流程：将本实验的主要设备、仪器和仪表等按编号顺序添入图下面的相应位置：

 

对流传热实验装置流程图

1．                2．                3．                

4．                5．                6．                

7．                8．                9．                

10．               11．               12．                

13．              

（4）     简述实验所需测定参数及其测定方法：

（5）     实验操作要点：

二、 实验操作及原始数据表(30分)

指导教师＿＿＿＿＿＿（签字）成绩       

三、  数据处理结果(10分)

四、 计算举例（并绘出图形  20分）

五、 结果分析(10分)

1．蒸气冷凝传热过程中，若有不凝性气体存在对传热有何影响？应采取什么措施？

2．实验过程中，冷凝水如不及时排走会产生什么影响？

3．实验装置中，光滑管（粗糙管）变成粗糙管（光滑管）时，对实验结果有何影响？