一、实验目的
1、学习传热系数的测定方法；
2、学习传热膜系数及其准数联式的测定方法。
二、实验原理
非安全
本实验有套管换热器4套，列管式换热器4套，首先介绍套管换热器。
套管换热器管间进饱和蒸汽，冷凝放热以加热管内的空气，实验设备如图2-2-5-1（1）所示。 传热方式为：冷凝—传导—对流
1、传热系数可用下式计算：
(1)
图2-2-5-1（1） 套管换热器示意图
式中：q——传热速率[W]
A——传热面积[m2]
△tm—传热平均温差[K]
传热速率q用下式计算：
（2）
Vh——空气流量[m3/h]
——空气密度[kg/m3]，以下式计算：
（3）
Pa——大气压[mmHg]医用拉链
Rp——空气流量计前表压[mmHg]
Cp——空气比热[]，查表或用下式计算：
（4）
tm=(t1+t2)/2——空气进出换热器温度的平均值（℃）
t2——空气出口温度[℃]
②传热平均面积A：
（5）
式中：dm=传热管平均直径[m]
L—传热管有效长度[m ]
③传热平均温度差△tm用逆流对数平均温差计算：
T←——T
t1——→t2
(6)
式中：T——蒸汽温度[℃]
2、传热膜系数（给热系数）及其关联式
空气在圆形直管内作强制湍流时的传热膜系数可用下面准数关联式表示：
（7）
式中：Nu——努塞尔特准数
Re——雷诺准数
Pr——普兰特准数
αo——系数，经验值为0.023
m——指数，经验值为0.8
n——指数，经验值为：流体被加热时n=0.4，流体被冷却n=0.3
为了测定传热膜系数，现对式（7）作进一步的分析：
（8）
α——空气与管壁间的传热膜系数[W/m2·k]
本实验可近似取α=K[传热系数]，也可用下式计算：
（9）
Ai——传热管内表面积[m2]
tW——管壁温[℃]
tm——空气进、出口平均温度[℃]
d——管内径[m]
λ——空气的导热系数[W/m·k]，查表或用下式计算：
λ=0.0244+7.8×10-5tm （10）
（11）
u——空气在加热管内的流速[m/s]
μ——空气定性温度（tm）下的粘度[pa·s]，查表或用下式计算：
μ=1.72×10-5+4.8×10-8tm （12）
d，ρ——意义同上。
（13）
Cp, μ, λ——意义同上
在定性温度tm=50~70℃时普兰特准数值Pr=0.698~0.694，取平均值为0.696，那么Prn=，代入式（7）即可得如下的实验关联式：
（14）ts2
式中α=0.865αo，测定α、m值后，再算出αo值，即可得到本实验的准数关联式（7）的形式。
三、 实验流程
本实验套管换热器流程如图2-2-5-2（a）所示，它为双套管并装换热器，其中一套的内管为光滑铜管，另一套为螺纹铜管（图中只画出其中一套设备）。冷空气由风机1送入，经表压计2测定表压，流量计3测定流量，阀4调节气量，温度计5测定进口温度，进套管换热器6被加热，热空气出口温度由7测量。进套管间的蒸汽由温度计8测量温度，压力表9测定压
强，阀10调节进汽量。冷凝水由疏水器12排除，管间的不凝气由放空管11定期排放。另外，管壁及各测温点还配有热电偶测温装置。
本实验列管换热器流程如图2-2-5-2（b）所示，冷空气由风机1送入，经阀2调节气量，气体流量计3测定流量并由气体加热器12将空气加热到指定温度，经温度计4测定进口温度后送入列管式换热器，冷却后的空气由温度计5测量温度，然后排出换热器；进换热器的水的流量由阀10调节，经液体流量计9测定流量及温度计6测定温度后进入换热器，冷热流体在列管的管壁上进行热量交换，经加热的水由温度计8测定温度后排出换热器。
1—风机 2—表压计 3—流量计 4—空气调节阀 5—进口温度计
6—换热器主体 7—出口温度计 8—蒸汽温度计 9—蒸汽压力表 10—蒸汽调节阀
11—不凝气放空管 12—疏水器
图2-2-5-2（a） 套管式传热实验装置流程图
实验装置结构参数
管径 | Φ18.8×1mm |
大气压= | 103KPa |
管径 | Φ18.8×1mm |
大气压= | 103 KPa |
管径 | Φ18.8×1mm |
大气压= | 103 KPa |
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四、 实验步骤
1、向锅炉加水至指定水位，通电加热至锅炉产生蒸汽压1.5kg/cm2（表）左右，待用。
2、关闭调节阀4，起动风机1，慢慢开启阀4至最大，观察流量压差计3的最大读数量程，确定5—6组读数及每组读数的压差值。
3、开启蒸汽阀10进汽，压力表9控制在0.5[kg/cm2]（表）左右，同时打开放空阀11至有蒸汽排出时关闭。
4、按拟好的压差量程，空气的流量由大至小测取读数（但不能测流量为零的读数）每组读数包括空气流量、表压、进出口温度和蒸汽进口温度。若用液体温度计测温度，要求读到0.1℃，若用热电偶测温，可由电位差计的读数查表而得温度。
5、数据测量完毕，先关蒸汽后停风机。
6、由测得的流量压差读数，根据流量曲线图查出相应的流量。
五、实验报告要求
1、计算传热系数K值。
2、计算Nu准数及Re准数，并用下列方法之一关联出传热膜系数的通用关联式。
(a)在双对数坐标纸上关联；
(b)用最小二乘法关联。
6、原始数据及数据处理：
组号 | Vh/(m³/h) | Rp/(mmHg) | t1/(℃) | t2/(℃) | T/(℃) |
2 | 34.2 | 28 | 39.6 | 88 | 113 |
3 | ad2组合 31.8 | 29 | 39 | 90 | 113.5 |
4 | 26.0 | 34 | 39.4 | 91 | 114 |
5 | 22.8 | 37 | 39.4 | 91 | 114 |
ρ/(Kg/m³) | Cp/(J/Kg·K) | q/(W) | A/(m²) | Δtm | K/(W/m²·K) |
1.1695 | 1011.52 | 575.73 | 0.0684 | 44.79 | 187.876 |
1.1717 | 1011.552 | 544.99 | 0.0684 | 44.94 | 177.276 |
1.1755 | 1011.58 | 535.69 | 0.0684 | 44.20 | 177.150 |
1.1814 | 1011.608 | 445.39 | 0.0684 | 43.85 | 148.457 |
1.1859 | 1011.608 | 392.04 | 0.0684 | 43.85 | 130.677 |
| | | | | | | | | | | |
传热膜系数Nu的测定及双对数坐标关联
组号 | α/(W/m²·K) | λ | Nu实测 | μ（Pa·s） | Re | Pr | Nu理论 |
1 | 187.87618 | 0.029314 | 107.6728 | 2.02240E-05 | 44458.649 | 0.69786 | 104.1356 |
2 | 177.27551 | 轧辊堆焊 0.029376 | 101.3817 | 2.02624E-05 | 41656.874 | 0.69772 | 98.8438 |
3 | 177.15014 | 0.029431 | 101.1220 | 2.02960E-05 | 38792.957 | 0.69760 | 93.3625 |
4 | 148.45702 | 0.029486 | 84.5863 | 2.03296E-05 | 31824.813 | 0.69748 | 79.6807 |
5 | 130.67693 | 0.029486 | 74.4557 | 2.03296E-05 | 28013.284 | 0.69748 | 71.9501 |
δNu/(％) | δα/(％) | δm/(％) |
3.40 | 19.60 | -1.55 |
2.57 |
8.31 |
6.16 |
3.48 |
最小二乘法关联 |
组号 | Nu实测 | Re | lg(Nu实测) | lg(Re) | A | α/(W/m²·K) | m | δα/(％) | δm/(％) |
1 | 107.6728 | 44458.649 | 2.0321 | 4.648 | 0.0238 | 0.0238 | 0.7876 | 19.47 | -1.55 |
2 | 101.3817 | 41656.874 | 2.0060 | 4.620 |
3 | 男性功能内裤101.1220 | 38792.957 | 2.0048 | 4.589 |
4 | 84.5863 | 31824.813 | 1.9273 | 4.503 |
5 | 74.4557 | 28013.284 | 1.8719 | 4.447 |
| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
7、计算举例说明：
密度： =
空气比热：
速率：
传热平均面积：
平均温度差：
传热系数：
雷诺数：
普拉特准数：
八、对实验结果进行分析与讨论。
从图像中线性回归方程的相关系数来看，实验数据结果不是很准确。产生误差的来源很多，读数不稳定 、换热器保温效果差、换热器使用久了，污垢较厚，热流量值下降等都使结果有一定的偏差。而且在处理数据时，采用很多近似处理，而实际实验时很多的条件并不稳定。在实验过程中采用改变空气流量来调节，但是在改变空气流量的同时，其他的数据也会改变，比如说空气出口温度，而且在改变的过程中，要经过一段时间空气出口温度才会稳定，而我们测定的温度一定要是这个稳定的温度，所以在测定中没有经过足够长的时间导致测定的温度不是稳定的温度，所以实验时要注意等待五分钟待数据比较稳定时，这样实验结果就比较准确
九、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。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，三个空气支路控制阀之一和旁路调节阀（见图1所示）必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。
4、调节流量后，应至少稳定5～10分钟后读取实验数据。
5、套管换热器中积累的热水要及时放掉，以免影响蒸汽传热
十、讨论
1、对比不同操作条件下的传热洗漱，分析数值，可得出什么结论？
答：K值总是接近热阻大的流体侧的∝值，实验中，提高空气侧的∝值以提高K值。
2、针对该系统，如何强化传热过程才更有效，为什么？
答：提高对传热系数∝值，如提高空气流速，内管加入填充物或者螺纹管。加热面在上，制冷面在下。
3、传热实验为什么用Nu-Re代替Nu-空气流速？
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