北 京 化 工 大 学
实 验 报 告
传热膜系数测定实验
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一、摘要
选用牛顿冷却定律作为对流传热实验的测试原理,通过建立水蒸汽—空气传热系统，分别对普通管换热器和强化管换热器进行了对流传热实验研究。确定了在相应条件下冷流体对流传热膜系数的关联式。此实验方法可测出蒸汽冷凝膜系数和管内对流传热系数。本实验采用由风机、孔板流量计、蒸汽发生器等装置，空气走内管、蒸汽走环隙，用计算机在线采集与控制系统测量了孔板压降、进出口温度和两个壁温，计算传热膜系数α，并通过作图确定了传热膜系数准数关系式中的系数A和指数m（n取0.4），得到了半经验关联式。实验还通过在内管中加入混合器的办法强化了传热，并重新测定了α、A和m。
二、实验目的
1、掌握传热膜系数α及传热系数K的测定方法；
2、通过实验掌握确定传热膜系数准数关系式中的系数A和指数m、n的方法；
3、通过实验提高对准数关系式的理解，并分析影响α的因素，了解工程上强化传热的措施。
三、实验原理
对流传热的核心问题是求算传热膜系数 ，当流体无相变时对流传热准数关联式的一般形式为：
Nu?A?Rem?Prn?Grp
对于强制湍流而言，Gr准数可以忽略，故
Nu?A?Rem?Prn
本实验中，可用图解法和最小二乘法计算上述准数关联式中的指数m、n和系数A。
用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同变量Re和Pr分别回归。本实1
验可简化上式，即取n＝0.4（流体被加热）。这样，上式即变为单变量方程，在两边取对数，即得到直线方程：
lgNu?lgA?mlgRe 0.4Pr
在双对数坐标中作图，找出直线斜率，即为方程的指数m。在直线上任取一点的函数值代入方程中，则可得到系数A，即：
A?Nu Pr0.4?Rem
用图解法，根据实验点确定直线位置有一定的人为性。而用最小二乘法回归，可以得到最佳关联结果。应用微机，对多变量方程进行一次回归，就能同时得到A、m、n。
对于方程的关联，首先要有Nu、Re、Pr的数据组。其准数定义式分别为： Re?du?
? , Pr?Cp?
? , Nu??d ?
实验中改变空气的流量以改变Re准数的值。根据定性温度（空气进、出口温度的算术平均值）计算对应的Pr准数值。同时，由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数α值进而算得Nu准数值。
牛顿冷却定律：
Q???A??tm 式中：
α——传热膜系数，[W/(m?·℃)]；
Q——传热量，[W]；
A——总传热面积[m2?]。
Δtm——管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，[℃]
传热量 可由下式求得：
Q?W?Cp?t2?t1?/3600?
式中： ??V?Cp?t2?t1?/3600
W——质量流量，[kg/h]；
Cp——流体定压比热，[J/(kg·℃)]；
t1、t2——流体进、出口温度[℃]；
ρ——定性温度下流体密度，[kg/m3?]；
V——流体体积流量，[m3?/h]。
空气的体积流量由孔板流量计测得，其流量Vs与孔板流量计压降Δp的关系为
Vs?26.2?p0.54
2
式中 Δp——孔板流量计压降，kpa；
Vs——空气流量，m3/h。
四、实验装置
本实验空气走内管，蒸汽走环隙（玻璃管）。内管为黄铜管，内径为0.020m，有效长度为1.25m。空气进、出口温度和管壁温度分别由铂电阻（Pt100）和热电偶测得。测量空气进出口温度的铂电阻应置于进出管的中心。测得管壁温度用一支铂电阻和一支热电偶分别固定在管外壁两端。孔板流量计的压差由压差传感器测得。
实验使用的蒸汽发生器由不锈钢材料制成，装有玻璃液位计，加热功率为
1.5kw。风机采用XGB型漩涡气泵，最大压力17.50kpa，最大流量100m3/h。
2、采集系统说明
（1）压力传感器
本实验装置采用ASCOM5320型压力传感器，其测量范围为0～20kpa。
（2）显示仪表
在实验中所有温度和压差等参数均可由人工智能仪表直接读取，并实现数据的在线采集与控制，测量点分别为：孔板压降、进出口温度和两个壁温。
3、流程说明
本实验装置流程如下图所示，冷空气由风机输送，经孔板流量计计量后，进入换热器内管（铜管），并与套管环隙中的水蒸气换热，空气被加热后，排入大气。空气的流量由空气流量调节阀调节。蒸汽由蒸汽发生器上升进入套管环隙，与内管中冷空气换热后冷凝，再由回流管返回蒸汽发生器，用于消除端效应。铜管两端用塑料管与管路相连，用于消除热效应。
图1 套管式换热实验装置和流程
3
1、风机； 2、孔板流量计； 3、空气流量调节阀； 4、空气入口测温点； 5、空气出口测温点； 6、水蒸气入口壁温； 7、水蒸气出口壁温； 8、不凝气体放空阀； 9、冷凝水回流管； 10、蒸气发生器； 11、补水漏斗； 12、补水阀； 13、排水阀
五、实验操作
1、实验开始前，先弄清配电箱上各按钮与设备的对应关系，以便正确开启按钮。 2、检查蒸汽发生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/2～2/3。 3、打开总电源开关（红色按钮熄灭，绿色按钮亮，以下同）。
4、实验开始时，关闭蒸汽发生器补水阀，启动风机，并接通蒸汽发生器的加热电源，打开放气阀。 5、将空气流量控制在某一值。待仪表数值稳定后，记录数据，改变空气流量（8～10次），重复实验，记录数据。
6、实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，清理现场。 注意：
a、实验前，务必使蒸汽发生器液位合适，液位过高，则水会溢入蒸汽套管；过低，则可能烧毁加热器。
b、调节空气流量时，要做到心中有数，为保证湍流状态，孔板压差读数不应从0开始，最低不小于0.1kpa。实验中要合理取点，以保证数据点均匀。 c、切记每改变一个流量后，应等到读数稳定后再测取数据。
六、实验数据记录及处理
本实验内管内径为0.020m，有效长度为1.25m。
（一）直管传热 原始数据
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经数据处理可得下表：
以第一组数据为例，计算如下：
空气平均温度 t?
t1?t234.7?64.9
??49.8℃ 22
lnT1?t1
T2?t2
ln
100.2?34.7100.3?64.9
对数平均温度?tm??T1?t1???T2?t2??(100.2?34.7)?(100.3?64.9)?48.9℃
空气流量 Vs?26.2??P0.54?26.2?2.640.54?44.256m3/h 传热量 Q??VsCp
t2?t164.9?34.7
?1.0947?44.256?1005??408.437W 36003600
5
传热膜系数 ??Q?
A?tm
2408.437
?106.315w/(m·℃)
??1.25?0.02?48.9
?d106.315?0.02
??75.278 ?0.029
Cp?1005?1.983?10?5
普朗特准数 Pr???0.6963
?0.029
4?1.947?44.256
雷诺数 Re?4?Vs??43733
3600??d?3600???0.02?1.959?10?5
努塞尔准数 Nu?
（二）加混合器
用相同的方法可查得物性：
6
经数据处理可得下表：
以第一组数据为例，计算如下：
t1?t236.4?74.80??55.60℃ 22
?T?t???T2?t2??(100.6?36.4)?(100.3?74.8)?41.9℃ 对数平均温度?tm?11
T?t100.6?36.4lnln11
100.3?74.8T2?t2空气平均温度 t?
空气流量 Vs?26.2??P0.54?26.2?1.670.54?34.56m3/h
传热量 Q??VsCp
传热膜系数 ??t2?t174.80?36.40?1.121?34.56?1005??415.37W 36003600Q415.372??126.18w/(m·℃) A?tm??1.25?0.02?41.9
努塞尔准数 Nu??d126.18?0.02??105.3 ?0.028
1005?30.573?10?5
??0.697 普朗特准数 Pr??0.028Cp?
??35695 雷诺数 Re?3600??d?3600???0.02?30.573?10?5
由以上数据可作出Nu/Pr^0.4 与Re关系图，如下：4?Vs4?1.121?34.56
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实验结果讨论
（1）从图中可以看出，不管传热是否被强化，Nu/Pr0.4～Re关系曲线的线性都非常好，说明当流体无相变时，用量纲分析法推导出的对流传热准数关系式Nu=ARemPrn（在强制对流即忽略Gr影响时）的准确性是很好的。
（2）从图中可以看出，在相同的雷诺数下，加混合器后的Nu/Pr0.4值比未加混合器时的大，因为Pr和热导率λ在实验条件下变化很小，由Nu=αd/λ知，加混合器强化传热后，传热膜系数α变大。说明增大加热流体的湍动程度可以强化传热。
（3）实验中加入混合器后，空气的出口温度明显变高，但孔板压降则迅速降低，说明实验中，传热效果的提高是以增大流动阻力为代价的。
（4）由 及 可知，直线斜率即为雷诺数Re的指数，而截距即为lgA,将未强化时的Nu/Pr0.4～Re的关系曲线进行拟合得α=0.0179；m=0.7959，与公认的关联式有一点偏差。
（5）将加混合器强化时的Nu/Pr0.4～Re的关系曲线进行拟合得α=0.0297；m=0.7903。
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第二篇：换热器传热系数测定
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