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
第二篇：对流传热系数测定实验
对流传热系数测定实验
一、实验目的
a) 测定空气在传热管内的对流传热系数，掌握空气在传热管内的对流传热系数的测定方法。
b) 把测得的实验数据整理成Nu=BRen形式的准数方程式，并与教材中相应公式进行比较。
c) 通过实验提高对准数方程式的理解，了解影响传热系数的因素和强化传热的途径。
二、实验装置
实验装置如图1所示，由蒸汽发生器、风机、套管换热器、流量调节阀及不锈钢进、出口管道、温度测量和流量测量装置等组成。
1. 风机 F1. 旁路阀 2. 孔板流量计 3. 空气压力变送器 4. 蒸汽放空口 5. 冷凝液排放口6. 玻璃视镜 7. 套管换热器 F2. 空气流量调节阀 F3. 蒸汽流量调节阀 8. 加水装置F4. 进水阀 13. 蒸汽发生器 T. 蒸汽温度 t1 、t2 . 空气进、出口温度 Tw1、Tw2. 空气出口和进口侧的管壁温度
图1 空气-水蒸气传热实验装置示意图
三、对流传热及参数测取
空气从漩涡风机吸入，经孔板流量计计量后进入套管换热器的内管（紫铜管），与来自蒸汽发生器的饱和水蒸汽在套管换热器内进行换热。被空气冷凝下来的冷凝水经冷凝液排放口排入蒸汽发生器的加水装置。进入套管换热器的空气进、出口温度t1、t2分别由铜—康铜热电偶测出。换热管两端管壁温度Tw1、Tw2同样也分别由埋在内管（紫铜管）外壁上的铜—康铜热电偶测出。蒸汽温度T由蒸汽发生器根据管路内的实际状况实现自动控制，T由热电阻PT100测得。空气流量通过F2、F2的组合调节来改变或通过变频器改变，由孔板流量计测量，并通过压力变送器测出空气的压力。套管换热器内管（紫铜管）的规格为：φ20×2 mm，换热管有效长度为1200mm，待测的空气温度、压力、流量、管壁温度和蒸汽温度均可在无纸记录仪或计算机上读取。
四、原理和方法
在工业生产过程中，一般情况下，均采用间壁式换热方式进行换热。所谓间壁式换热，就是冷、热两种流体分别在固体壁面的两侧流动，两流体不直接接触，通过固体壁面进行传热。
1． 测定总传热系数K
由于换热器内的冷、热流体的温度和物性是变化的，因而在传热过程中的局部传热温差和局部传热系数都是变化的，但在工程计算中，在沿程温度和物性变化不是很大的情况下，通常传热系数K和传热温差
均可采用整个换热器上的积分平均值，因此，对于整个换热器，传热速率方程可写为
（１）
即：
（２）
式中： Q——传热速率，W（瓦）；
K——空气总传热系数，W/m2.℃；
A1——换热管外表面积，m2；本实验中A1=0.0754 m2
——换热管两端的对数平均温差，℃。（此时，传热推动力为蒸汽、空气）
1.1 传热速率Q的计算
（3）
式中： W——空气质量流量，kg/s。
Cp——定性温度下空气的定压比热，kJ/kg .℃；本实验中，空气的定性温度等于空气进、出口温度的算术平均值。
t1、t2——换热管内空气的进、出口温度，℃。
1.2 空气质量流量W的计算
(4)
式中： V——空气的体积流量，m3/h；
——孔板处空气密度，kg／m3。
其中：
(5)
式中： C ——孔板流量计的校正系数；本实验中，C=0.5442。
——孔板两侧差压变送器的读数，kPa。
本实验中，可根据空气的温度和压力，应用理想气体状态方程来进行计算，即：
(6)
式中： MA——空气的摩尔质量，kg/kmol；本实验中，MA=29.0 kg/kmol。
P0——大气压，kPa；本实验中，P0=101.3 kPa。
P——压力变送器读数：空气压力，kPa；
R——通用气体常数，kJ/(kmol.K)；本实验中，R=8.314 kJ/(kmol.K)。
T——孔板处空气温度，K；本实验中，T=273.15+ t1。
1.3 对数平均温差Δtm0的计算
(7)
其中：
(8)
式中：TW0——蒸汽进口温度，℃。（TW0对应实验装置的T测温点）
2． 测定空气传热系数a1
本实验系水蒸汽—空气在套管换热器中进行强制对流的传热过程。
根据牛顿冷却定律：
(9)
式中： Q——传热速率，W（瓦）；
a1——空气传热系数，W/m2.℃；
A1——换热管内表面积，m2；本实验中A1=0.0603 m2
TW——套管换热器内管的管壁温度，℃；
t——换热管内空气温度，℃。
在实际传热过程中，换热管进、出口管壁温度和进、出口空气温度都是变化的，因此传热推动力（即气体进、出口温差）应用对数平均温差来表示：
（10）
即：
（11）
式中： 
——换热管两端的对数平均温差，℃。
2.1 传热速率Q的计算
（12）
式中： W——空气质量流量，kg/s。
Cp——定性温度下空气的定压比热，kJ/kg .℃；本实验中，空气的定性温度等于空气进、出口温度的算术平均值。
t1、t2——换热管内空气的进、出口温度，℃。
2.2 空气质量流量W的计算
(13)
式中： V——空气的体积流量，m3/h；
——孔板处空气密度，kg／m3。
其中：
(14)
式中： C ——孔板流量计的校正系数；本实验中，C=0.7456。
——孔板两侧差压变送器的读数，kPa。
本实验中，可根据空气的温度和压力，应用理想气体状态方程来进行计算，即：
(15)
式中： MA——空气的摩尔质量，kg/kmol；本实验中，MA=29.0 kg/kmol。
P0——大气压，kPa；本实验中，P0=101.3 kPa。
P——压力变送器读数：空气压力，kPa；
R——通用气体常数，kJ/(kmol.K)；本实验中，R=8.314 kJ/(kmol.K)。
T——孔板处空气温度，K；本实验中，T=273.15+ t1。
2.3 对数平均温差Δtm的计算
(16)
其中：
(17)
式中：TW1、TW2——空气出口和进口侧的管壁温度，℃。
3．确定准数方程式Nu=BRen
空气在圆形直管内作强制对流时，Nu与Re之间存在如下关系：
(18 )
当空气被加热时n=0.4，当空气被冷却时n=0.3，本实验中空气被加热，n=0.4。
对于空气等对称双原子气体，在实验温度范围附近，普兰特准数Pr≈0.7，代入( 10 ) 式可得如下简化关系式：
(19)
因此，当空气在管内作强制对流传热时，其准数方程式可表示成：
Nu=BRen (20)
其中：
(21)
(22)
式中：Nu——努塞尔数;
Re——雷诺数;
u——换热器内空气的流速，m/s;
d——换热器内管的内径，m;
A2——换热器内管的内截面积，m2;
——定性温度下空气的粘度，Pa.s;
λ——定性温度下空气的导热系数，W/m.℃。
将测得的a1～W数据，根据式（13）和（14），算出相应的Nu～Re值，然后将算得的Nu、Re值，标绘在以Re为横坐标轴、以Nu为纵坐标轴的双对数坐标上，绘成直线，根据求出的该直线的斜率和截距，从而可确定准数方程式中的指数n和系数B。
五、实验操作步骤和注意事项
1． 先给蒸汽发生器的水箱加水，直到加水装置的水位不下降为止，实验中应及时加水，保证加水装置内始终都维持有一定的水位。（有关蒸汽发生器的具体操作说明，请参照本装置所附的蒸汽发生器相关使用说明书。）
具体使用要求如下：
1）每天第一次运行前必须将蒸汽阀门打开，然后打开排污阀门，使炉内的水及污物完全排尽。
2）检查水箱以保证水箱内无杂物，否则将损坏水泵或卡死止回阀。
3）关闭排污阀，蒸汽阀门仍开启，开启蒸汽发生器的电源开关，此时发出缺水报警，水泵运转对蒸发器补水，直至炉内水位高于低水位时停止报警，达到高水位时水泵停止补水。
4）蒸汽发生器每天至少排污一次。每天工作完毕后，应在断电15分钟后进行排污（否则会烧坏电热管）。排污时应注意安全，防止烫伤。
5）蒸汽发生器所需用水规定为软水或蒸馏水。
6）电控箱、水泵电机等部位应避免受潮进水，以防烧毁。设备应经常保养，保持清洁。
操作步骤如下：
1）确认水、电源接通。
2）打开水源的阀门，向蒸汽发生器水箱内注水。
3）打开电源开关，电源灯（Power）亮，水泵灯（Water Pump）亮。
4) 打开水泵放气，将管道内的空气排净。
5）水泵开始运转，并向蒸汽发生器内加水。此时低水位灯（Low Water）亮，蜂鸣器报警。
6）水满之后，水泵停止运转，蜂鸣器停止鸣叫，正常灯（Normal）亮。
7）电热管开始加热、加热灯（Heating）亮。
2． 全关风机出口的旁路阀、蒸汽发生器上面的排污阀、放汽阀，全开放空阀、空气流量调节阀、蒸汽流量调节阀和蒸汽发生器上面的进水阀。
3． 开启仪表柜上的电源总开关、变频器、无纸记录仪和蒸汽发生器电源开关，再开启蒸汽发生器上的电源开关，此时蒸汽发生器将进入自动工作状态。
利用无纸记录仪和变频器来控制管路流量步骤：
a) 观察无纸记录仪屏幕，有自动/手动两种控制方式可供选择，现以手动为例，设置好MV（输出百分比），按下变频器上“RUN”，开始运行。
注意：不允许私自随意改变无纸记录仪的各设定参数
4． 打开计算机，调整计算机分辨率在1024×768，运行上位机监控工程软件，进入传热系数测定实验流程示意图界面。在该界面上可监视蒸汽温度、空气进出口温度、换热管进出口侧的管壁温度、孔板流量计的压差和空气压力等过程变量值。当蒸汽发生器有蒸汽产生时（此时可看到在实验装置的放空口处有蒸汽流出），开启仪表柜上的风机开关。实验过程中，从最大流量处开始做起。
在第一个空气流量下，应使实验装置持续稳定运行20分钟以上才可认为其传热已达到稳定，此时，点击计算机操作界面上的“采集数据”按钮，可把该空气流量下的所有实验数据（分别是孔板两侧的压差、管内空气的压力、蒸汽温度、空气进出口温度和换热管两端的管壁温度）记录到计算机操作界面右侧的原始数据记录表格上
5． 调节阀F2的开度，此时空气流量相应减小。空气流量可根据孔板两侧的压差来反映，一般孔板两侧的压差以每次减小0.5kPa左右为宜。从第二个空气流量开始，传热稳定就比较快，一般只要稳定运行5～10分钟即可认为传热已达稳定。随后点击“采集数据”按钮就可进行数据采集。
6． 实验过程中，空气流量所对应的孔板两侧的压差最小不能低于0.5kPa。因压差读数过小，其相对误差均会较大，从而影响实验精度。
7． 每次实验，要求测定4～8组不同空气流量下的实验数据。实验结束后，点击操作界面上的“导出EXCEL报表”按钮，再根据计算机屏幕的提示，取好待保存的EXCEL文件的文件名，就可将本次测到的所有实验数据导出到EXCEL表格中保存起来，供实验结束后进行实验数据处理时引用。
8． 实验结束后，点击“退出”按扭，再关闭蒸汽发生器上的电源开关，全开空气流量调节阀，全关旁路阀，让实验装置尽快冷却。当无纸记录仪上的蒸汽温度下降到95℃以下时，方可关闭仪表柜上的风机开关和无纸记录仪电源开关，再关闭计算机和仪表柜上电源总开关。
注意事项
1． 实验中应及时向加水装置中加水，保证实验过程中加水装置内始终都维持有一定的水位，否则有可能烧坏蒸汽发生器，进而引发事故。
2． 为了延长蒸汽发生器的使用寿命，应严格按所附蒸汽发生器的相关使用说明进行操作。
3． 蒸汽发生器内的压力控制器已调整到合适的位置，严禁私自打开重新调节，以防压力过高，出现意外情况。
4． 实验中，不能打开蒸汽发生器上面的放气阀和排污阀，不能关闭进水阀，不能调节放空阀和蒸汽流量调节阀。
5． 实验过程中，不要改变无纸记录仪等仪表的设置。
6． 当环境温度降低到一定温度时，实验过程中可能会出现下列现象：蒸汽出口管壁温度Tw2突然下降2~4℃，接着又恢复原状，此时的实验数据不要采集。因为环境温度越低，蒸汽冷凝越快，蒸汽出口管道积累的冷凝水也越多，积累到一定量时冷凝水就会滴下来，滴到Tw2测温点的时候，就会出现上述现象。如果数据表采集满以后，仍需要继续采集数据或采集到错误的数据时，均可点击“清除数据”按钮，从而将该数据清除掉。
7． 由于本实验对测量元件的精度和稳定性及系统的稳定性均要求极高，因此为了尽量减少或消除各种外界因素的干扰，在各测量信号的传输线路和软件数据处理上都对信号采取了一定的滤波措施。考虑到滤波后数据结果显示有一定的滞后性，因此在实验装置连续运行，并再次打开运行传热实验工程时，应先等候约1分钟，待各路信号稳定后，再点击实验流程图界面中的“采集数据”按扭，此时才可以对实验数据进行记录。
六、实验数据处理
考虑到本实验采集的数据量较多，因此本装置专门配备了传热实验数据处理模板，下面介绍该数据处理模板的使用方法。
1． 打开传热实验过程中导出的保存有实验数据的EXCEL文件
2． 选中打开的EXCEL表中的B~H共七列的实验数据，同时按“Ctrl”和“C”键，将选中的该七列实验数据拷贝下来
3． 打开传热实验数据处理模板文件
4． 行，简称A4单元格，以下同），同时按“ Ctrl”和“ V”键，将前面拷贝下来的实验数据粘贴上去
5． 按住鼠标左键，同时选中H4～T4这13个单元格
6． 放开左键，将鼠标的光标移到选中的这13个单元格的右下角，这时鼠标变成一个黑的“十” 字型。按住鼠标左键，同时将鼠标拖到与左边的原始数据（刚拷贝进来的各压力、温度）齐平，再放开鼠标的左键。
7． 将鼠标指针移至Nu—Re曲线图表上面，单击鼠标右键，
8． 选中菜单栏中“源数据”选项，单击鼠标左键，出现“源数据”对话框，如图18所示。
9． 选择所需数据区域（即Q、R、S三列数据）
10． 点击对话框中的“确认”按钮
11．至此，整个传热实验数据处理模板操作过程即告结束，计算机将实验数据的处理结果包括Nu—Re曲线显示在屏幕上，从屏幕上即可知道整个传热实验的结果。
七、实验数据记录
专业 姓名 学号
日期 地点 装置号
同组同学
换热管内径D： 换热管有效长度L：
