1、3、实验原理1. 一般情况下，对流传热系数可根据牛顿冷却定律进行实验测定。 式中 Q通过壁面的传热速率，W； a对流传热系数，W/（）；S传热面积，；流体与壁面间的温度差，本实验用的是套管式换热器，实验管段为黄铜管，空气走管内，饱和水蒸汽走管外，当管壁与污垢热阻可忽略时，a与总传热系数K有下列简化关系：当的特殊情况下，可近似取式中 K总传热系数W/（ a1传热管内对流传热系数，W/（ a0传热管外对流传热系数，W/（K可由总传热速率方程式求出，即：传热速率Q可按下式进行测定和计算：式中：W空气质量流量，kg/s； Cp空气定压比热，J/kg； t1、t2空气的进、出口温度，。di套管的内管内径
2、，m； L套管的内管长度，m；平均温度tm由冷、热流体进、出口温度计算：T饱和蒸汽温度，。2. 无相变时，流体在圆形直管中作强制湍流时，给热系数a的准数关联式一般形式为： 式中的常数A、m、n需由实验确定。对一定种类的气体，在很宽的温度、压力变化范围内Pr值基本上保持不变，例如空气的Pr=0.7，上式可写为： 或 实验中，改变空气流速以改变Re准数值，根据实验数据把NuRe关系在双对数坐标纸上作图，即求出式中系数和指数m，使准数关联式得以确定，壁面与空气对流传热系数的通用经验式为：上式没有考虑管子内表面粗糙度对传热的影响。本实验装置设两条套管换热器，它们内管的管径相同，不同的是其中一条是光滑管
3、，另一条是螺旋槽管，实验时可以发现，当加热蒸汽的压力和空气流量相同时，螺旋槽管出口空气温度远比光滑管高，这证明管内壁面螺纹强化了传热过程。4.实验材料与实验方法4.1实验装置传热实验装置由两支套管换热器组成，其中一支是光滑管，另一支是螺旋槽管。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、风机出口温度（冷流体入口温度）测试点；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、蒸汽上升主管路；15、加水口；16、放水口；17、液位计；18、冷凝液回流口 传热管参数: 表1 实验装置结构参数
4、实验内管内径di（mm）24.50实验内管外径do（mm）31.9031.50测量段（紫铜内管）长度l（m）0.70004.2实验步骤1、准备工作1） 接通电源总闸；2） 检查鼓风机运转是否正常，检查空气进口阀是否正常；3） 向电加热釜加水至液位计上端红线处；4） 打开实验装置的放气阀门，排除空气和其它不凝性气体。2、实验步骤1） 水沸腾后，水蒸气自行进入套管换热器外管，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出；2） 约加热十分钟后，启动鼓风机；3） 调节空气流量旁路阀的开度；4） 稳定5-8分钟可转动各仪表读取t1、t2、T各值；5） 重复3）与4）共做6个空气流量值；6） 最大、最小值必须做；7） 换
5、成强化管重复以上操作。3、实验结束1） 关闭加热器开关；2） 待套管温度下降至50以下后关闭鼓风机，并将旁路阀全开；3） 切断总电源。4、注意事项1） 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，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。2） 必须保证蒸汽上升管线的畅通。即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。3） 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
6、后开启和关闭控制阀。4.3数据处理方法及其原理2. 无相变时，流体在圆形直管中作强制湍流时，传热系数a的准数关联式一般形式为：5.实验结果与讨论5.1 实验结果5.1.1. 已知数据及有关常数:以第一组数据为例计算：孔板流量计压差=650 Pa、进口温度t1 =48.00、出口温度 t2 =59.70 壁面温度热电势100.1。（1）传热管内径di （mm）及流通断面积 A（m2）.di24.50（）,0.0245 （）;A（di2）43.14（0.0245）240.00047（ m2）. （2）传热管有效长度 L（）及传热面积si（m2）. L0.70（） siL di3.140.700.0
7、2450.05385（m2）.（3）传热管测量段上空气平均物性常数的确定. 先算出测量段上空气的定性温度（）为简化计算,取t值为空气进口温度t1（）及出口温度t2（）的平均值, 即（） 此查得: 测量段上空气的平均密度 1.080 Kg/m3; 测量段上空气的平均比热 Cp1005 J（Kg）; 测量段上空气的平均导热系数 0.02850 W（ 测量段上空气的平均粘度 1.97（）:5.1.2.对流传热系数值的计算 传热管内平均体积流量V由下面校正计算：孔板流量计孔径10mm， =0.0000785 m2 , / =0.13，查表得=0.60冷热流体间的平均温度差传热速率（W） （W） （W/
8、m2）5.1.3.对流传热系数准数关联式的有关计算传热管内流速（m/s）怒赛尔数 雷诺数 =4670普朗特数Pr=cp/=10051.97/0.02850=0.695重复以上计算得5.1.4 计算得到数据如下表普通管：普通套管1 2 3 4 5 6 流量（pa）650 1150 1260 1520 1850 2420 传热管内流量 V/（ m3/s）0.00163 0.00217 0.00225 0.00249 0.00275 0.00314 t1（）48.00 44.50 44.60 43.50 44.10 44.00 t2（）59.70 58.60 57.90 58.70 58.80 58
9、.30 tw（）100.10 tm（）53.85 51.55 51.25 51.10 51.45 51.15 tm（）46.00 48.21 48.55 48.60 48.28 Q/W20.75 33.37 33.15 41.42 44.15 49.14 i （W/m28.38 12.86 12.68 15.82 16.98 18.78 u（m/s）3.48 4.61 4.80 5.29 5.84 6.68 （kg/ m3）1.080 1.087 1.100 1.090 1.088 1.089 w/（m ）0.02850 0.02836 0.02810 0.02833 0.02835 0.02
10、834 Cp J/（Kg ）1005 Pa S0.0000197 0.0000196 0.0000195 Re4670 6263 6629 7211 7948 9094 Nu7.20 11.11 11.05 13.68 14.68 16.23 Pr0.695 0.697 Lg Re3.67 3.80 3.82 3.86 3.90 3.96 Lg Nu0.86 1.05 1.04 1.14 1.17 1.21 强化管： 强化套管500 980 1106 1304 1501 1700 0.00142 0.00198 0.00210 0.00229 0.00245 0.00262 42.90 35.
11、70 36.60 38.90 37.30 40.80 52.90 54.80 55.90 57.10 56.90 58.00 47.90 45.25 46.25 47.10 49.40 52.04 54.29 53.27 51.57 52.39 50.21 15.74 42.25 45.27 46.19 53.46 49.75 5.61 14.45 15.78 16.63 18.95 18.40 3.01 4.20 4.47 4.88 5.22 5.58 1.105 1.114 1.110 1.102 1.106 1.098 0.02806 0.02786 0.02793 0.02807 0.
12、02800 0.02814 0.0000194 0.0000193 4207 5944 6304 6785 7292 7693 4.90 12.71 13.84 14.52 16.58 16.02 0.696 0.694 lg Re3.62 3.77 3.83 3.89 lg Nu0.69 1.10 1.16 1.22 1.20 5.1.5对准数关联式作图：对于普通管：直线方程为Y=1.2553X-3.7363，则m=1.2553，A=10-3.7363=0.00018 故关联式为Nu=0.00018Re1.2551对于强化管：直线方程为Y=2.0511X-6.6365，则 m=2.0511
13、，A=10-6.6365=0.00000023 故关联式为Nu=0.00000023Re2.05115.2思考题1. 如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对a关联式有没有影响？ 答：有影响，a关联式反应的是一定条件下空气侧的规律，蒸汽压强变大时，流速变大，a 也变大，因而空气侧的a关联式也会改变，须由实验确定。2、测取数据前，为什么要排除不凝性气体？不凝性气体的物性常数和空气的不一样，会造成误差。3、本实验中管壁温度接近加热蒸汽温度还是空气温度？为什么？温度计处温度能够由空气进口温度代替？说明理由管壁温度接近蒸汽温度，因为蒸汽侧的a 大很多，同样的传热速率时温差小，所以管壁温度接近蒸汽温度。 温度
14、计处温度能够由空气进口温度代替因为空气在管中的传热很少可忽略。4、本实验中，空气和蒸汽的流向对传热效果有什么影响？没影响，因为蒸汽侧无相变保持恒温，平均温度差tm 不变，传热速率也不变，故没影响。6.结论和建议6.1结论1. 同样压强差下，强化管的a 比普通管的大，而且它的值越大，强化效果越好。由此说明，在管内加入螺纹可以远远地提高传热系数 2.本实验下的得到的a关联式;：强化管 Nu=0.00000023Re2.0511普通管Nu=0.00018Re1.2551 与通用经验公式 Nu 差别较大，是由于实验条件决定的，与管子的长度，直径，实验条件下空气侧定性温度下的物性等都有关。 3. 6.2
15、建议1检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。2必须保证蒸汽上升管线的畅通。3必须保证空气管线的畅通。4.可以加大蒸汽侧的流速来提高a 的值以强化对流。5.可以采用多种强化元件及强化措施来强化传热，主要包括在换热器中使用螺纹管、横纹管、缩放管、大导程多头沟槽管、整体双面螺旋翅片管，以及在换热管中加扰流子来强化管内换热等 o J其中，在换热管中加扰流子添加物进行强化传热在工业上已使用了多年，它可以使换热器总的传热系数出现明显的提高，可以大大节省换热器的传热面积，降低设备重量，节约大量金属材料。17.参考文献 1 尹卫东，李桂连 .对流传热系数测定的探讨.中图分类号：TQ0515 文献标识码：A 文章编号：1009-4970（2012）08-004904. 2北京大学，南京大学，南开大学编. 化工基础实验. 北京市：北京大学出版社, 2004.07.
