实验五 换热器传热系数的测定实验

（气——汽对流传热）

一、实验装置：如下图

传热管系数实验装置结构参数：

1、温度测量

(1)空气入口温度t₁、空气出口温度t₂，由电阻温度计测量，由数字显示仪表直接读出。

第一套：切换开关挡位分别对应的测温点是： 0——普通管空气入口温度、1——普通管空气出口温度、2——强化管空气入口温度、3——强化管空气出口温度、4——釜温。

第二套：数字显示仪表显示的温度分别是：0——普通管空气入口温度、1——普通管空气出口温度、2——强化管空气入口温度、3——强化管空气出口温度。

 (2)壁面（外管内壁）平均温度Tw

因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用T_w表示。

第一套：由数字毫伏计测出与其对应的热电势E(mv，热电偶是由铜----康铜组成)，由公式T_w=8.5+21.26×E( mv)计算得到。

切换开关挡位分别对应的测温点是： 0——普通管壁面热电势、1——强化管壁面热电势。

第二套：由数字显示仪表直接读取。上——普通管壁面温度，下——强化管壁面温度。

2、空气流量测定V（m³/h）

V=V_t1×        (m³∕h)

式中 V_t1—空气入口温度（即流量计处温度）下的体积流量， m³/h；

t_m—测量段上空气的定性温度（即t_m=），℃；

t₁,t₂——分别为空气的进口温度及出口温度，℃；

V_t1的计算：

第一套：*3600

      ΔP—孔板两端压差，pa；

ρ_t1—空气入口温度（即流量计处温度）下的密度，kg/m³。

C₀—孔板流量计孔流系数， C₀=0.65

A₀—孔的面积，m²；d₀—孔板孔径， d₀=0.017m；

第二套：

式中:V₂₀—20℃时体积流量, m³/h

V₂₀=13.909×(△P)^0.648

ΔP—孔板两端压差，kpa；

3、 电加热釜   是生产水蒸气的装置，使用体积为7升(加水至液位计的上端红外线)，内装有一支2.5kw的螺旋形电热器，为了安全和长久使用，建议最高加热电压不超过200伏。

4、 气源(鼓风机)  又称旋涡气泵，XGB—2型，电机功率约0.75kw，产生的最大和最小空气流量基本满足要求，使用过程中，输出空气的温度呈上升趋势，

5 、稳定时间   是指在外管内充满饱和蒸汽，在排出口有适量的不凝汽(气)体排出，空气流量调节好后，过15分钟，空气出口的温度可基本稳定。

二、实验内容与要求

1、测定5~6个不同空气流速下普通套管换热器的对流传热系数α_i。

2、应用线性回归的方法，求普通套管换热器准数关联式N_U=ARe^mPr^0.4中常数A、m的值。

3、测定5~6个不同空气流速下强化套管换热器的对流传热系数α_i。

4、应用线性回归的方法，求强化套管换热器准数关联式中N_U=BRe^mPr^0.4常数B、m的值。

5、同一流量下，根据所得准数关联式N_U=ARe^mPr^0.4求N_U0,计算传热强化Nu／Nu₀。

6、在同一流量下分别求取普通套管换热器、强化套管换热器的总传热系数K₀。

三、实验原理

1、对流传热系数_i的测定：

             （4-1）

式中：_i—管内流体对流传热系数， w/（m²·℃）;

Q_i—管内传热速率，w；

S_i —管内传热面积， m²；

Δt_m—管内流体空气与管内壁面的平均温度差，℃；

传热速率：               （4-2）

式中： V—空气流过测量段上平均体积，m³/h；

ρ_at—测量段上空气的平均密度，    kg/m³；

Cp_at—测量段上空气的平均比热，    J/(kg?K)；

Δt—传热管出口温度与空气进口温度之差， ℃；

—内壁面与流体间的温差，℃。

由下式确定：

△t_m=  当2>△t₁ / △t₂ >0.5时，可简化为

式中：t₁，t₂—冷流体（空气）的入口、出口温度，℃；

  T_w — 壁面平均温度，℃；

2、对流传热系数准数关联式的实验确定：

流体在管内作强制对流时，处于被加热状态，准数关联式的形式为：

Nu_i=ARe_i^mPr_iⁿ

其中，传热准数：Nu_i=，雷诺准数： ,普朗特准数：Pr_i =

测量段上空气的平均流速：

物性数据λ_i、c_pi、ρ_i 、μ_i可根据定性温度t_m查得。经过计算可知,对于管内被加热的空气,普朗特准数Pr_i变化不大,可以认为是常数，关联式可简化为Nu=ARe^mPr^0.4。通过实验确定不同流量下的Re_i与Nu_i。

3、求关联式Nu=ARe^mPr^0.4中的常数项

以Nu/Pr^0.4为纵坐标,Re为横坐标,在对数坐标系上标绘～Re关系，作图、回归得到准数关联式Nu₀=ARe^mPr^0.4中的常数。

处理强化管的实验数据，以Nu/Pr^0.4为纵坐标，Re为横坐标,在对数坐标系上标绘Nu/Pr^0.4～Re关系，作图回归得到准数关联式 Nu=BReⁿ Pr^0.4中的常数。

4、强化比的确定:

将强化套管换热器求得的Re、Pr数值分别带入普通管和强化管换热器所得的准数关联式中，可以得到Nu及Nu₀,强化比=Nu/ Nu₀ 。

5、换热器总传热系数K₀的确定

实验中若忽略换热器的热损失，在稳态传热过程中，空气升温获得的热量与对流传递的热量及换热器的总传热量均相等，则以外表面为基准的总传热系数

S₀——传热管外表面传热面积(m²)

因为本实验中α_i<<α₀，故传热管内的对流传热系数α_i≈热冷流体间的总传热系数K。

四、实验步骤

1．实验前的准备、检查工作

(1)第一套 向电加热釜加水至液位计上端红线处。第二套:向储水罐中加水至液位计上端处

(2)（第一套） 向冰水保温瓶加入适量的冰水。

(3) 检查空气流量旁路调节阀是否全开。

(4) 检查普通管支路各控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管线的畅通。

(5) 接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。

2．实验开始

(1)一段时间后水沸腾，水蒸汽自行充入普通套管换热器外管，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，标志着实验可以开始。

(2)约加热10分钟后，可提前启动鼓风机，保证实验开始时空气人口温度t₁比较稳定。

(3)调节空气流量旁路阀的开度，使压差计的读数为所需的流量值(当旁路阀全开时，通过传热管的空气流量为所需的最小值，全关时为最大值)。

(4)稳定5—8分钟左右可转动各仪表选择开关读数t₁、t₂、E值。(注意：第1个数据点必须稳定足够的时间)。

(5)重复(3)与(4)共做5~6个空气流量值。

(6)最小，最大流量值一定要做。

(7)整个实验过程中，加热电压可以保持不变，也可随空气流量的变化作适当的调节。

3．转换支路，重复步骤(2)的内容，进行强化套管换热器的实验，测定5~6组实验数据。

4．实验结束

(1) 关闭加热器开关。

(2) 过5分钟后关闭鼓风机，并将旁路阀全开。

(3) 切断总电源。

(4) 若需几天后再做实验，则应将电加热釜和冰水保温瓶中的水放干净。

五、注意事项

1、第一套由于采用热电偶测温，所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存；检查热电偶的冷端，是否全部没在冰水混和物中。

2、检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内，特别是每个实验结束后，进行下一个实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。

3、必须保证蒸汽上升管线的畅通。既在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路控制阀之一必须全开。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。

4、必须保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前，两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。

5、电源线的相线，中线不能接错，实验桌铁架一定要接地。

7、调节流量后，应稳定3~8分钟后读取实验数据。

七、实验数据处理

计算实例：

 已知：传热管内径d=0.02m，流通截面积：F=π*d²/4=3.142*0.022/4=0.0003142（m²）

传热管长度L=1.00m，传热面积S=π*d*L=3.142*0.02*1.0=0.06284（m²）

孔板流量计：流量系数Co=0.65，孔板直径do=0.017m， 孔板截面积Ao=π*d²/4（m²）

以第六组数据为例：

1、  空气物理性常数的确定：

查表或根据回归公式计算可得：

t₁=38.4 (℃)      ρ_t1=1.14(Kg/m³)

测量段上空气的定性温度  (℃)

测量段上空气的平均密度ρ_m=1.1(Kg/m³)。平均比热C_pm=1009  (J/Kg.k)

平均导热系数λ_m=0.0284（W/m.k)，平均粘度μ_m=1.97*10^-5 （Pa.s）

2、冷热流体间的平均温差△t_m=(℃)

上式中传热管壁面平均温度Tw=8.5+21.26*E=8.5+21.26*4.23=98.48  (℃)

3、  管内平均体积流量：

（m³/h）)

4、管内平均流速 （m/s）

5、传热速率 (W)

6、管内传热系数(W/m²℃)

7、雷诺准数

传热准数

普兰特准数

8、求准数关联式Nu=AR_e^mPr^0.4中的常数项：A，m。

计算

以N_u/Pr^0.4为纵坐标，Re为横坐标，在双对数坐标系中绘N_u/Pr^0.4--Re关系图，并进行回归公式。见下图

9、计算强化比N_u/N_u0

将强化管的Re、Pr值带入普通管的准数关联式中，求Nuo

N_u0=0.0249Re^0.7894Pr^0.4=103.25    强化比Nu/N_u0=129.3/103.25=1.25

10、管内总传热系数 (W/m²℃)

因为α_i<<α₀，因为本实验中αi<<α₀，故传热管内的对流传热系数αi≈热冷流体间的总传热系数K。（α_i、α₀分别为管内、外壁传热系数）

11、同理，处理强化管的实验数据，作图、回归得到准数关联式Nu=BRe^mPr^0.4中的常数项B，m。

12、强化管的实验数见表二。

第二篇：化工原理实验传热实验报告

传热膜系数测定实验（第四组）

一、实验目的

1、了解套管换热器的结构和壁温的测量方法

2、了解影响给热系数的因素和强化传热的途径

3、体会计算机采集与控制软件对提高实验效率的作用

4、学会给热系数的实验测定和数据处理方法

二、实验内容

1、测定空气在圆管内作强制湍流时的给热系数α₁

2、测定加入静态混合器后空气的强制湍流给热系数α₁’

3、回归α₁和α₁’联式中的参数A、a

 *4、测定两个条件下铜管内空气的能量损失

二、实验原理

    间壁式传热过程是由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热三个传热过程所组成。由于过程复杂，影响因素多，机理不清楚，所以采用量纲分析法来确定给热系数。

1）寻找影响因素

物性：ρ，μ ，λ，c_p  设备特征尺寸：l  操作：u，βgΔT

        则：α=f（ρ，μ，λ，c_p，l，u，βgΔT）

2）量纲分析

    ρ[ML^-3]，μ[ML^-1 T^-1]，λ[ML T^-3 Q^-1]，c_p [L² T^-2 Q^-1]，l[L] ，u[LT^-1]，

          βgΔT [L T^-2]， α[MT^-3 Q^-1]]

3）选基本变量（独立，含M，L，T，Q-热力学温度）

        ρ，l，μ, λ

4）无量纲化非基本变量

        α：Nu＝αl/λ    u:Re＝ρlu/μ    c_p:Pr＝c_pμ/λ    βgΔT:Gr＝βgΔT l³ρ²/μ²

5）原函数无量纲化

         

6）实验

 Nu＝ARe^a Pr^b Gr^c  

      强制对流圆管内表面加热：Nu＝ARe^a Pr^0.4

圆管传热基本方程：

   

热量衡算方程：

圆管传热牛顿冷却定律：

圆筒壁传导热流量：

空气流量由孔板流量测量：  [m³h^-1，kPa]

空气的定性温度：t=(t₁+t₂)/2  [℃]

三、实验流程

  1、蒸汽发生器   2、蒸汽管    3、补水漏斗     4、补水阀    5、排水阀

6、套管换热器   7、放气阀     8、冷凝水回流管   9、空气流量调节阀

10、压力传感器     11、孔板流量计        12、空气管      13、风机

图1、传热实验流程

    套管换热器内管为φ27×3.5mm黄铜管,长1.25m,走冷空气，外管为耐高温玻璃管，壳程走100℃的热蒸汽。进、出口温度由铂电阻（Pt100）测量，使用时测温点位于管道中心。壁温1、壁温2由热电偶测量，测温点通过锡焊嵌入管壁中心，测量值为壁中心温度。蒸汽发生器加热功率为1.5kW，变频器为西门子420型，风机为XGB型旋涡气泵，最大静风压17kPa，最大流量100 m³/h。此外，还用到了北京化工大学化工原理实验室开发的数据采集与控制软件。

四、实验操作

1、检查蒸汽发生器中的水位，约占液位计高度4/5左右，如不够需加水；

2、按下总电源、加热器、风机绿色按钮，开仪表开关，等待20分钟套管间充满水蒸汽；

3、约到15分钟时，观察壁温1、壁温2的变化以及水蒸汽的滴状冷凝情况；

4、当有蒸汽和不凝性气体从套管间排出时，全开流量调节阀，用鼠标点击上图中绿色按钮启动风机预热设备5分钟；

5、通过计算机间隔3～4Hz调节频率10→50→10Hz，每个点稳定约1.5分钟记录数据，注意随时查看结果，调整布点及发现错误等；

6、加入静态混合器进行强化传热实验，先将出口温度计拔出，旋转放入混合器，再将温度计放回中心位置。调节频率10→50Hz，孔板压降最小值大于0.1kPa；

7、测完数据关风机，2分钟后，检查壁温100℃基点偏差；

8、关闭加热器，与6步相同取出静态混合器放好，检查液位加水，关闭计算机。

五、实验数据

表1选择上行数据 空气普通对流给热系数表（l=1.25,d=0.020m），100℃基点=  99.9   ℃

2  空气强化对流给热系数表（加入混合器），100℃基点= 99.9    ℃

六、实验结果作图及分析

数据处理：

已知公式：

         

         

         

         

以表1中第一组数据为例：

△t_m =℃=℃

=0.7063-2*46.95=0.697

由公式可知，分别对和Re取对数，并作图所作出的直线的斜率即为m；截距即为lgA.。

普通

由图可知：m=0.73,lgA=-1.89,进而得出A=0.013。因此得出关联结果为：，继而得出传热膜系数

强化后

由图可知：m=0.81,lgA=-1.62,进而得出A=0.024。因此得出关联结果为：继而传热膜系数

实验结果分析：传热膜系数公认的关联式为，而实验得出的关系式为。可以看出系数A=0.013有差距，指数a=0.73也与公认式中a=0.8有一定的误差因素，比如说：管壁不够光滑；管件材料不可能完全相同；还有实验中Pr在0.6950左右，不满足公认式的条件（0.7<Pr<160），会引起一定的误差。

七、思考题

 1、本实验中管壁温度应接近蒸汽温度还是空气温度？为什么？

答：管壁的壁温接近蒸汽温度，因为蒸汽的传热膜系数较大，壁温更接近于传热膜系数大的一面。

 2、蒸汽发生器中的水是循环利用的，为什么每次实验还检查液位补水？

答：因为有部分蒸汽从排气孔向外排出了。因此实验设备里的总水量减少了，所以要在下次实验前加水补液位。

 3、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α的关联式有无影响？说明原因。

答：由公式，发现其变量均与压强的值无关，故采用不同的蒸汽压无影响。

4、水蒸汽的温度是100℃，管道尺寸是φ27×3.5mm，结合实验数据，

         （1）计算套管换热器总传热系数K₁，

         （2）计算空气一侧的热阻1/α₁占总热阻1/ K₁的百分比。

答：（1）

1/a2=(T-Tw)/q=(100-99.8)/558.3=0.00036,

1/a1= (tw-t)/q=(100.1-46.95)/558.3=0.095,

d/=0.0035/0.028=0.125则K=1/(1/a1+1/a2+ d/)=4.54

(2) 1/a1/(1/ K)= 0.095*4.54=0.4313=43.13%

 5、结合实验数据分析，假如空气入口温度不变、蒸汽温度不变，空气流量增大后，壁温和出口温度有什么变化？（提示：）

答：，A1不变，而传热系数α正比于流速，空气流量增大后u增大，Q不变，则△t_m 减小，进口温度又不变，所以出口温度减小。