实验五 对流传热实验
实验五 对流传热实验
（一） 气--汽对流传热实验
一、实验目的
1. 了解间壁式传热装置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、实验内容
1、测定5—6组不同流速下，套管换热器的总传热系数K和对流传热
系数αc和αh。
mn2、对αc的实验数据进行多元线形回归，求准数关联式Nu=ARePr
中常数A，m。
三、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=KA?
T?t?
（1）
化工原理实验指导
91
实验五 对流传热实验
而对流给热所传递的热量，对于冷、热流体均可表示为
Q1=?hAh?T?tw1? （2） 或 Q2=?cAc?tw2?t? （3） 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：
Q3??Am ??tw1?tw2? （4）?
由热量平衡及忽略热损失后（即Q=Q1=Q2=Q3），可将（2）（3）（4）式写成如下等式： Q=T?tw1tw1?tw2tw2?tT?t （5） ????hAh?Am?cAcKA
1
11???hAh?Am?cAc （6） 所以 K?
K?fd1,?1,?1,cp1,?1,u1,?,?,?2,?2,cp2,?2,u2=f?6,2,5? （7）
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π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π=13-4=9个无因次数群，即由正交网络法每
8个水平变化10次，实验工作量将有10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??化工原理实验指导 92
实验五 对流传热实验
度变化不大，?1只随u1而变，
?1?f?d1,u1,?1,?1,cp1,?1? (9)改变u1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，π定理告诉我们，π=７－４＝３个无因次数群，即：
?du?cp???d?f??1?f?d1,u1,?1,?1,cp1,?1????,??? (10) ???
经无因次处理，得 Nu?ARePr (11)
2、传热系数K和α的实验测定
实验装置的建立（参见图2）依据如下热量恒算式和传热速率方程式，它是将(5)和(6)式联立,
则：KA?tm= WcρcCpc(t2-t1) (12) 其中 ?tm?mn(T1?t2)?(T2?t1) (13) T1?t2lnT2?t1
(14) K?Wc?cCpc(t2?t1)
A?tm
?cAc?tmc?Wc?ccpc?t2?t1?
?hAh?tmh?Wc?ccpc?t2?t1?
其中： ?tmc? (tm上?t2)?(tm下?t1) (15) tm上?t2lntm下?t1
?tmh?(T1?tm上)?(T2?tm下) (16) T1?tm上lnT2?tm下
93 化工原理实验指导
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若实验物系选定水蒸汽（G）与冷空气（g）,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（传热面积）；
Wc------------测冷流体的流量计；
t1、t2---------测冷流体的进、出口温度计；
T -------------测热流体的进、出口温度计；
Cpc------------由冷流体的进、出口平均温度决定；
tm上、tm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。
3、对流传热系数准数关联式的实验确定
Nu?ARePr
式中:努塞尔准数.： Nu?
雷诺准数: Re?mna1d1?d1u?
?
普朔特准数: Pr?
对上式（11）两边取对数得 Cp??
lgNu?lgA?mlgRe?nlgPr
或 lgNu?mlgRe?lgA (17) nPr
在强制湍流时，当温度变化范围不太大，温度对流体的特性影响较小，
在气流温度升高时，n=0.4。Pr为常数，其表达式中的常数Cp,μ,λ,ρ均指在平均温度下t?
设Y?lgt1?t2的值 2Nu，b0=lgA X=lgRe 则（17）变为 nPr
Y=mX+b0 (18)
以X为自变量，Y为因变量，进行二元线性回归，求得m，b。即可求
得A.m，或在双对数坐标纸上，以Nu为纵坐标，Re为横坐标，做出一条Prn
直线，求出其斜率，即 m．
化工原理实验指导 94
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四、实验装置
1、 实验流程图
2、主要设备及仪表
换热器 蒸汽发生器 热电温度计 控温仪 流量计 气泵 压力表 阀门
3、主要设备参数
紫铜管管壁厚：1.5mm 管内径：16mm 管外径：19mm 管长：1.3m
五、实验步骤
1． 在蒸汽发生器里放入去离子水至液位管上段处，使水浸没加热电棒，
以防烧坏。
2． 打开加热电源开关，水蒸汽发生器开始工作，约20min水沸腾，此时
3打开气源开关，调节空气流量为20m/h。待套管表面发热，打开套管
上下法兰处的排气考克2～3次，排除不凝性气体。
3． 因为是气泵原因，随着冷流体流量增加，冷流体进口温度会增加，所
以在冷流体进入系统前，先经过一个小换热器。用水冷却，注意下进化工原理实验指导 95
实验五 对流传热实验
上出。
4． 整个实验操作热流体的进口温度是恒定的，改变唯一操作变量即冷空
气转子流量计阀门开度，达到改变流速的目的。
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，先关加热电源，保持冷空气继续流动10min，以足够冷
却套管换热器及壁温，保护热电偶接触正常。
7． 通过放尽阀将蒸汽发生器内的水放尽
8． 仪表屏中间的大表是温控表，请不要乱揿按钮。
注意事项：
1、上机数据处理的直线相关系数要求R≥0.95，否则，实验重做。
2、蒸汽温度升上来时，打开套管上下端的排气考克，排气2--3次，排除不凝气体。
3、仪表均以设定好，切勿乱调。
4、在实验过程中蒸汽压力不宜过高，操作压力视装置的条件而定。
5、每次参数调整后，会使原来的定态操作被破坏，只有当重新达到定态时，才能测量新的数据。
六、实验报告内容：
1、将实验数据输入计算机进行数据处理，并打印出结果；
2、列出实验结果数据表并计算举例；
3、在双对数坐标纸上绘制图（以Nu为纵坐标，Re为横坐标，画出一条Prn
直线）。并计算出常数A、m。列出准数关系式。
4、对实验中出现的问题进行分析讨论?
七、思考题：
1、如何判断实验过程已经稳定，影响实验的主要因素是什么？
2、影响α的主要参数是什么？空气温度不同是否有不同的关联式？
3、强化传热过程有哪些途径？
4、在蒸汽冷凝时，若存在不凝性气体，你认为将会有什么变化？应该采取什么措施？
6、影响传热系数K的因素有那些？
化工原理实验指导 96
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附件：
原始数据记录表格
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(二)气--水对流传热实验
一、实验目的
1、了解间壁式传热装置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、实验内容
1、测定5—6组不同流速下，套管换热器的总传热系数K和对流传热系数αc和αh。
mn 2、对αc的实验数据进行多元线形回归，求准数关联式Nu=ARePr
中的常数A，m。
三、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=KA?
T?
t? （1）
而对流给热所传递的热量，对于冷、热流体均可表示为
Q1=?hAh?T?tw1? （2） 化工原理实验指导
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实验五 对流传热实验
或Q2=?cAc?tw2?t? （3） 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：
Q3??Am ??Tw?tw? （4）?
由热量平衡及忽略热损失后（即Q=Q1=Q2=Q3），可将（2）（3）（4）式写成如下等式： Q=T?tw1Tw?twtw2?tT?t （5） ????hAh?Am?cAcKA
1
11???hAh?Am?cAc （6） 所以 K?
2、传热系数K和α的实验测定
实验装置的建立（参见图2）依据如下热量恒算式和传热速率方程式，它是将(5)和(6)式联立,
则： KA?tm= WcρcCpc(T1-T2) (7) 其中 ?tm?(T1?t3)?(T2?t1) (8) T1?t3lnT2?t1
(9) K?Wc?cCpc(T1?T2)
A?tm
?cAc?tmc?Wc?ccpc?T1?T2?
?hAh?tmh?Wc?ccpc?T1?T2?
其中： ?tmc? (TW1?t3)?(TW2?t1) (10) TW1?t3lnTW2?t1
?tmh?(T1?TW1)?(T2?TW2) (11) T1?TW1lnT2?TW2
化工原理实验指导 99
实验五 对流传热实验
3、对流传热系数准数关联式的实验确定
Nu?ARePr (12)
式中:努塞尔准数.： Nu?
雷诺准数: Re?mna1d1?d1u?
?
普朔特准数: Pr?
对上式（12）两边取对数得 Cp??
lgNu?lgA?mlgRe?nlgPr
或 lgNu?mlgRe?lgA (13) Prn
在强制湍流时，当温度变化范围不太大，温度对流体的特性影响较小，
在气流温度下降时，n=0.3。Pr为常数，其表达式中的常数Cp,μ,λ,ρ均指在平均温度下T?
设Y?lgT1?T2的值 2Nu，b0=lgA X=lgRe 则（13）变为 Prn
Y=mX+b0 (14)
以X为自变量，Y为因变量，进行二元线性回归，求得m，b。即可求得
A.m，或在双对数坐标纸上，以Nu为纵坐标，Re为横坐标，做出一条直线，nPr
求出其斜率，即 m． 问题引导：
在努塞尔关系式里，对流传热系数应该用αc，还是αh？
四、实验装置
1﹑实验流程图
实验流程图见下页
2、主要设备及仪表
换热器 热空气发生器 热电温度计 控温仪 流量计 气泵 压力表 阀门
3、主要设备参数
紫铜管管壁厚：1.5mm 管内径：15mm 管外径：18mm 管长：2.0m
化工原理实验指导 100
实验五 对流传热实验
五、实验步骤
1、打开冷水流量计阀门，维持一定的冷水流量（参考流量：200L/H）。
2、启动风机，通过气体流量计上的阀门和风机出口处的旁路，调节一定的气体流量。
3、接通电源，加热空气，仪表AI-708设定为120℃--150℃，维持空
气的进口温度。
4、待冷流体出口温度及各仪表显示值保持5min以上不变时方可同时采
集实验数据。
5、实验结束时，先关加热电源，保持冷空气继续流动10min，以足够
冷却加热器及套管壁温，保护热电偶接触正常。
注意事项：
1、调冷水流量时，需尽量排尽夹层内的空气，可通过调大冷水流量的
方法来排出夹层内的空气，反复2-3次。
2、实验中保持冷水流量不变，通过调节空气流量测5-6组数据。
3、仪表均以设定好，切勿乱调。
4、每次参数调整后，会使原来的定态操作被破坏，只有当重新达到定
态时，才能测量新的数据。
5、实验结束时，必须先关加热电源，十分钟后，将水电全部关闭。
化工原理实验指导 101
实验五 对流传热实验
六、实验报告内容：
1、将实验数据输入计算机进行数据处理，并打印出结果； 2、列出实验结果数据表并计算举例； 3、在双对数坐标纸上绘制图（以
Nu
为纵坐标，Re为横坐标，画出一条nPr
直线）。并计算出常数A、m。列出准数关系式。
4、对实验中出现的问题进行分析讨论? 七、思考题：
1、如何判断实验过程已经稳定，影响实验的主要因素是什么？ 2、影响α的主要参数是什么？空气温度不同是否有不同的关联式？ 3、强化传热过程有哪些途径？
4、本实验中冷水和热气的流向对传热效果有什么影响？ 5、影响传热系数K的因素有那些？
附件：
原始数据记录表格
紫铜管长[m]: 内径[mm]： 壁厚[mm]：
化工原理实验指导
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实验五 对流传热实验
（三）水--水对流传热实验
一、 实验目的
1、掌握对流传热系数a的测定方法。
2、加深对对流传热系数a的概念及其影响因素的理解。
mn 3、学会应用多元线性回归分析方法，确定Nu=ARePr中的常数A，m,n。
二、实验内容
1、测定5一6个不同流速下本套管换热器的对流传热系数a1
mn 2、对a1的实验数据进行多元线性回归，求准数关联式Nu=ARePr中的
常数A，m，n。
三、实验原理
总传热系数K是设计换热器和评估换热器的重要参数。获得K值的途径有二；一是实验测定；二是用传热管内外的对流传热系数a1，a。和式(1)来计算。 bddld11??Rs0?0?Rsi0?0 （1） Ka0?dmdiaidi
本实验将实践一下K值的实验测定方法。
对流传热是流体和壁面之间的传热过程。用对流传热系数计算K值是确定K值的重要途径，对流传热系数是评估对流传热过程的不可缺少的数据。
由于流体和壁面之间的传热比较复杂，影响对流传热系数a的因素很多，计有:流体的流动状态。引起流动的原因，流体的性质，传热面的形状，大小和位置。用因次分析方法，对无相变时的强制对流传热系数。的影响因素进行归纳可得：
Nu?f(Re?Pr) (2) 若流体是在圆形直管内作强制湍流传热，则式(2)可表示成:
Nu?ARePr （3） 式中:努塞尔准数.： Nu?
雷诺准数: Re?mna1d1?d1u? (4)
?
Cp? (5) 普朔特准数: Pr?? (6)
A，m，n为常数，其数值由实验测定。
化工原理实验指导 103
实验五 对流传热实验
本实验将实践a值的直接测定方法和由实验确定式(3)的方法
1、总传热系数K0的测定
则总传热速率方程式
Q?K0S0?tm (7) K0?Q (8) S0??tm
式中，Sm2
0一换热管的外表面积
Q一传热速率，w
Δtm一对数平均温度差，℃
K一基于管外面积的总传热系数。W/(m2
0·℃.)
由热量衡算式:
Q?WCCPC(t2?t1) (9) 式中:Wc一冷流体的质量流量,Kg/S。
Cpc一冷流体的定压比热，KJ/Kg·℃
t1,t2一分别为冷流体进出口温度。℃
其中，Cpc,ρ是指在t1的平均温度下t1的常数
s0??d0L (10) 式中:d。一传热管的外径，m;
L一传热管的有效长度,m。 ?tt2??t1(T1?t2)?(T2?t1)
m??
ln?t?
2T1?t2
?tln
1T2?t1
2、对流传热系数a1,a0的测定
对流传热系数a可根据牛顿冷却定律来实验测定: Q?a1S1(tw?t) (12) a1?QSt (13)
1(w?t)
式中:S=πd2
1一传热管的内表面积，S11L，m
(d1一传热管内径,m)
化工原理实验指导 11） 104 （
实验五 对流传热实验
t一冷流体平均温度, t?t1?t2℃ 2
tw一传热管内外壁表面的平均温度，℃
同时 a0?Q (14) S0(T?tw)
式中: T一传热体平均温度, T?T1?T2 2
因传热管为紫铜管，其导热系数很大，加上传热管壁很薄，故tw可做
内外壁表面的平均温度。
3、对流传热系数准数关联式的实验确定
Nu?ARePr (15)
对式(6一3)两边取对数得
lgNu?lgA?mlgRe?nlgPr
或lgmnNu?mlgRe?lgA (16) nPr
在强制湍流时，当温度变化范围不太大，温度对流体的特性影响较小，
在温度上升时n=0.4，Pr为常数，其表达式中的常数Cp,μ,λ,ρ均指在平均温度下的平均值t下的平均值
设y?lgNu，b0=lgA X=lgRe 则(16)变为 nPr
y=mx+b0 (17)
以X为自变量，Y为因变量，进行二元线性回归，求得m，b。即可求
得A.m，或在对数坐标纸上，以Nu为纵坐标，Re为横坐标，做出一Prn
条直线，求其斜率，即为m．
四、实验装置
1、实验流程示意图
2、主要技术参数
套管式换热器，紫铜管外径为20mm，内径d1为15.6mm，
有效长度L为1.00m。
3、主要设备和仪表:
3 L7B一40型转子流量计，量程为0.25一2.5(m/h)
数显测温表，DBZ370型航空牌单向自吸水泵2台。套管式换热器
化工原理实验指导 105
实验五 对流传热实验
热水加热釜，冷水贮槽，调压器。
五、实验方法及步骤;
1、实验开始前的准备和检查
1)往加热釜内加水，使釜内液位接近液位计上端红线处。
2）往冷水贮槽中加水，当槽中水达到溢流时,减少进水量，保持水的溢流状态。
3)检查两个调压电位器是否逆旋至极端。
4)检查冷水流量调节阀以及热水流量调节阀是否处于半开或全开状态。
2、实验开始
1） 合电源总闸，此时加热釜左侧两个加热器开始全压加热。(此时是
否需要开通二个可调加热器视实际情况为定)
2)开动冷水输送泵并调整冷水流量调节阀的大小，使转子流量计的读数V3
20(m/h)为所需的最小值，(一般为0.20～0.25)并及时改变冷水贮槽的冷水补给量保持溢流状态。
3)待热水加热釜有明显的热感时，开动热水循环泵，关闭热水流量调节
阀。
4)观察tw值是否已达到了35～40℃的范围内，并固定一个温度值。
5)若已在此范围内，再认真检查一次V20是否为所需的最小值。 化工原理实验指导 106
实验五 对流传热实验
6)保持3一5分钟的相对稳定时间，即可测读V20，tw、t1、t2值。
7)改变V20值(例如0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50)保持新V20
值下的溢流状态。
8)参照4)在维持tw不变的情况下，测另一组数据，直至测完V20为最大
值的一组数据。
9)实验结束时，先切断电加热釜电源，后停泵。停冷水将所用的仪器复
原。
六、实验注意事项
1)热水加热器内的水位不能低于液位计下端的红线。热水预热的温度
不宜过高。一般在40℃~50℃间为宜。
3 2)V20(m/h)即冷水流量计读数应从小到大进行实验比较好。
3)实验过程中一定要随时调节冷水贮槽补充水的流量，保持水溢流，
一方面要防止抽干，也要防止冒顶溢出。
4）要求每一组实验的tw和t1值保持不变。
七、报告内容
1、将实验数据输入计算机进行数据处理，并打印出结果
2、举例计算给热系数аc和各准数及准数关联式的常数A、m，并列出
准数关联式。
3、用双对数坐标纸绘制Nu和Re的关系曲线。 nPr
4、对实验结果和数据进行分析和讨论。
八、思考题:
1. 在实验中有哪些因素影响实验的稳定性?
2. 若水一水换热器内已结垢，问本实验测得的 ai与经验公式
0.80.4Nu=0.023RePr中的ai是否有不同之处?
3. 实验开始时,是否需要确定冷流体的最小流量?怎样确定?(提
4示:Re≥1×10)
化工原理实验指导 107
实验五 对流传热实验
附表：
水--水传热原始数据记录表格
化工原理实验指导
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