实验四 换热系数K的测定
一、 实验目的
1、了解间壁式传热元件的研究和传热系数测定的实验组织方法。
2、掌握借助于热电偶测量进出口温度的方法
3、学会传热系数测定的试验数据处理方法
4、了解影响传热系数的因素和强化传热的途径
二、 实验任务
1、在空气－水列管换热器中，测定两个不同水流量时一系列空气流量条件下冷、热流体进出口温度。
2、通过热量衡算方程式和传热速率方程式计算总传热系数的实验值。
三、实验原理
间壁式传热装置的传热过程是冷热流体通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，它是由热流体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过程所组成。在定态条件下，并忽略壁面内外表面的差异，则各环节的热流密度相等，即：
则： 
式中 
、 
、
分别为各传热环节对单位传热而言的热阻，工程上通常将其写为Q=KA(T-t)，那么换热系数为：
由于冷流体的温度沿加热面是连续变化的，且此温度差与冷、热流体温度成线形关系，故将推动力（T－t）用换热器两端温差的对数平均温差表示，即：Q=KA△tm（1）。对于一定态双管程列管换热器，热流体走壳程，体积流量为Wh，进口温度为T1，出口温度为T2；冷流体走管内，体积流量为Wc，进口温度为t1，出口温度为t2，热流体放出的热量等于冷流体得到的热量，即：
Q=WcρCpc(t2-t1)= WhρCph(T1-T2)
则，Q=KA△tm＝ WcρCpc(t2-t1)
即：
式中：A由换热器的结构参数而定，冷流体的体积流量Wc通过流量计测定，热流体进口温度T1和出口温度T2，冷流体的进口温度t1和出口温度t2，均由温度计测定，Cpc由冷流体的进出口平均温度决定。
四、实验装置和流程
五、实验步骤
1、打开装置总控制开关；
2、缓慢打开冷却水转子流量计阀门，调节冷水流量为40L/h；
3、先打开空气流量调节阀门（旁通阀），再启动风机（为什么？－）；
4、调节旁通阀的开度，使空气流量为10 L/h；
5、打开气体加热器的加热电源，调节加热电压控制热空气进口温度恒定在120～130之间任何某一刻度，待冷、热流体出口温度显示值保持10min以上不变时采集实验数据；保持冷水流量为40L/h，在空气流量分别为15、20、25L/h条件下采集相应实验数据，
6、调节冷水流量为20L/h，在空气流量分别为10、15、20、25L/h条件下采集实验数据。
7、实验结束时，先关调压变压器开关，停止加热，将冷却水和空气流量调至最大，将装置冷至室温后，再将其流量调至最小，关闭总水阀和气泵；
8、上机处理实验数据，并打印处理结果，每小组打印一份。
六、思考题
1、启动风机前为什么要打开旁通阀？
2、为何要先打开热空气流量计阀门，再打开电源加热？
3、在整个实验过程中，如何控制热空气进口温度恒定？
七、注意事项
1、启动风机前先打开旁通阀。
2、先打开空气流量计阀门，再打开电源加热。
3、在整个实验过程中，通过调节加热电压控制热空气进口温度恒定在120～130之间任何某一刻度。
4、待冷、热流体出口温度显示值保持10min以上不变时方可同时采集实验数据。
八、作业
1、上机处理数据，并打印处理结果，每小组打印一份。
2、完成实验报告，应包含：实验目的、实验原理、实验流程、实验步骤、原始数据、计算示例，讨论等，其中对计算示例，同一小组同学不得采用同一组数据处理。
第二篇：传热系数的测定实验
实验４ 传热系数的测定实验
一、实验目的
⒈ 测定流体在套管换热器内作强制湍流时的对流传热系数
。
⒉ 并将实验数据整理成准数关联式Nu=ARemPr0.4形式，确定关联式中常数A、m的值。
⒊ 了解强化传热的基本理论和采取的方式。
二、实验原理
实验2-1 普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定
⒈ 对流传热系数的测定
根据牛顿冷却定律
（4-1）
式中：—管内流体对流传热系数，W/(m2?℃)；
Qi—管内传热速率，W；
Si—管内换热面积，m2；
—冷热流体间的平均温度差，℃。
（4-2）
式中：ti1，ti2—冷流体的入口、出口温度，℃；
ｔw—壁面平均温度，℃；
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tw来表示，由于管外使用蒸汽，近似等于热流体的平均温度。
管内换热面积：
（4-3）
式中：di—内管管内径，m；
Li—传热管测量段的实际长度，m。
由热量衡算式：
（4-4）
其中质量流量由下式求得：
（4-5）
式中：Vi—冷流体在套管内的平均体积流量，m3 / h；
cpi—冷流体的定压比热，kJ / (kg·℃)；
ρi—冷流体的密度，kg /m3。
cpi和ρi可根据定性温度tm查得，
为冷流体进出口平均温度。ti1，ti2， tw， Vi可采取一定的测量手段得到。
⒉ 对流传热系数准数关联式的实验确定
流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为
. （4-6）
其中： 
， 
， 
物性数据λi、cpi、ρi、μi可根据定性温度tm查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pri变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：
（4-7）
这样通过实验确定不同流量下的Rei与
，然后用线性回归方法确定A和m的值。
三、实验装置
⒈ 实验设备：
如图2-2所示，实验装置的主体是两根平行的套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。实验的蒸汽发生釜为电加热釜，内有2根2.5kW螺旋形电加热器，用200伏电压加热（可由固态调压器调节）。蒸汽上升管路，使用三通和球阀分别控制蒸汽进入两个套管换热器。
空气由XGB-2型旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器。管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，由另一端蒸汽出口自然喷出，达到逆流换热的效果。
⒉ 实验的测量手段
⑴ 空气流量的测量
空气主管路由孔板与差压变送器和二次仪表组成空气流量计，孔板流量计为标准设计，其流量计算式为：
（4-8）
图4-1 对流传热系数测定实验装置流程图
1—普通套管换热器；2—内插有螺旋线圈的强化套管换热器；3—蒸汽发生器；４—旋涡气泵；
5—旁路调节阀；6—孔板流量计；7－强化管入口温度计；8、9—空气支路控制阀；10、11—蒸汽支路控制阀；12、13—蒸汽放空口；14—强化管出口温度计；15—紫铜管；16—加水口；17—放水口；18—液位计；19—热点偶温度测量实验测试点接口；20—普通管入口温度计；21—普通管出口温度计
式中：
—孔板流量计两端压差，KPa；
t0—流量计处温度（本实验装置为空气入口温度），℃；
ρ0—t0时的空气密度，kg/m3。
由于被测管段内温度的变化，还需对体积流量进行进一步的校正：
（4-9）
⑵ 温度的测量
实验采用铜-康铜热电偶测温，温度与热电势的关系为：
T(℃)=8.5009+21.25678×E(mv) （4-10）
图4-2 传热实验中冷流体进出口温度及壁温的测量线路图
四、实验方法
1.实验前的准备,检查工作.
(1) 向电加热釜加水至液位计上端红线处。
(2) 向冰水保温瓶中加入适量的冰水,并将冷端补偿热电偶插入其中。
(3) 检查空气流量旁路调节阀是否全开。
(4) 检查蒸气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) 约加热十分钟后,可提前启动鼓风机,保证实验开始时空气入口温度ti1 (℃)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空气流量值(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取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7～10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(调节)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7～10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) 切段总电源
(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、报告内容
⒈ 在双对数坐标系中绘制
~Re的关系图。
⒉ 求出准数关联式中的m、A。
⒊ 测定流体在强化套管换热器的对流传热系数，并于普通管进行比较。
六、思考题
1． 强化传热的途径有哪些？
2． 本实验中壁面温度接近空气温度还是蒸汽温度？为什么？
七、实验结果
1．实验数据表
表1 普通管实验记录
表2 强化管实验记录
2． 实验结果图
图4-3 准数关联图
