对流传热系数测定实验

对流传热概述 根据热力学第二定律，凡是存在温度差的地方就会发生热量传递，并导致热量自发地从高温处向低温处传递，这一过程称为热量传递过程，简称传热。 热量传递过程分为稳态过程与非稳态过程两大类。 热量传递有三种基本方式：热传导、对流和热辐射。 在化工生产中传热的应用主要是两个方面： 1.强化传热：为了使物料达到操作温度的要求进行的加热或冷却，希望热量以所期望的速率进行传递； 2.削弱传热：为了使物料或设备减少热量散失，而对管道或设备进行保温或保冷。

对流传热的概念 在工业生产中，传热过程基本方式： 1.直接接触式传热 2.间壁式传热：是一种常用的换热设备，如列管式换热器。其热流体借助于传热壁面，将热量传递给冷流体。 3.蓄热式传热。（图例） 影响换热器传热速率的参数有：传热面积、平均温度和传热系数。

对流传热的概念 不同温度的流体各部分之间，或流体与固体壁面之间作整体相对位移时所发生的热量传递过程，称为对流传热。 影响对流传热的因素： （1）流体的相态变化； （2）引起流动的原因(强制对流传热和自然对流传热)； （3）流体的流动型态(层流和湍流)； （4）流体的物理性质(包括流体的比热容、导热系数、密度和黏度等）； （5）传热面的几何因素(传热面的形状、大小等）。

对流传热分类：

流体流动排布型式 1.逆流型式 2.并流型式 3.错流型式 4.折流型式

逆流型式

并流型式

错流型式

折流型式

实验目的 1.通过实验掌握总传热系数K及对流传热系数α的测定方法，并分析影响因素； 2.学习如何用实验方法求出描述过程规律的经验公式,并检验通用的对流传热系数的准数关联式 或 ； 3.通过实验提高对关联式的理解，进一步了解影响对流传热系数的因素和强化传热的途径； 4.掌握测温热电偶的使用方法。

实验原理 根据传热基本方程、牛顿冷却定律以及圆筒壁的热传导方程，已知传热设备的结构尺寸，只要测得传热速率Ｑ以及各有关温度，即可算出Ｋ和α等。

间壁式换热装置 对于间壁式传热过程，可以将其看成是由下述三个传热子过程串联而成： （1）热流体与固体壁面之间的对流传热过程； （2）热量通过固体壁面的热传导过程； （3）固体壁面与冷流体之间的对流传热过程。

1.计算热负荷（热流量）Ｑ 热量衡算方程式： 通过测定qc、t1、t2可计算出Q。 式中：qc---空气的体积流量（m3/h）； ρc---空气的密度（kg/m3); ＣPc---空气的定压比热容（J/(kg·K））或（J/(kg·℃)）； t1---空气进换热器的温度（K或℃）； t2---空气出换热器的温度（K或℃）。 通过测定qc、t1、t2可计算出Q。

2.计算总传热系数Ｋ 由传热基本方程式 得： 其中： 式中：Ｋ---基于管内表面积的总传热系数（W/(m2·℃)）； A---换热管内表面积（m2）； ∆tm---换热器冷热流体的对数平均温差。

3.计算对流传热系数α 依据牛顿冷却定律： 或 其中： 式中： αc、αh ---分别为冷、热流体的平均对流传热系数（W/(m2·℃)）； Ac、Ah---分别为冷、热流体的传热面积，即与流体接触的壁面积（m2）； ∆tmc、 ∆tmh---分别为冷、热流体与壁面（或反之）间温差的平均值（℃）。

管内强制对流传热 当流体在圆形直管内作强制对流传热时，研究表明，Nu与Pr和Re之间存在如图3--1所示的关系。 图3-1 流动状况与对流传热系数的关系

由图可见： 管内强制对流存在三个不同的区域： 当Re<2300时，流体的流动为层流状态；

流体在圆形直管内 作湍流时的对流传热系数 其关联式可采用迪图斯-贝尔特公式描述，即 （经验式为 ） （经验式为 ） 式中：Nu---努塞乐特准数，Nu=αid/λ ； Re---雷诺准数，Re=duρ/μ ； Pr---普朗特准数，Pr=CP· μ/λ； A、m、n---常数。 当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。 上式适用于流体与管壁温差不大的场合，对于气体，其温差不超过50℃ ；对于水，温差不大于20-30℃ ；对于黏度随温度变化较大的油类其值不超过10℃ 。上式的其他适用的条件为：Re=1.0×104~1.2×105，Pr=0.7~120,管长与管内径之比l/d≥60。所采用的特征长度为管内径d，定性温度为流体的平均温度（即管道进、出口截面平均温度的算术平均值）。

当温差超过推荐的温差范围或对于黏度较高的液体，由于管壁温度与流体的主体温度不同而引起壁面附近与流体主体处黏度相差较大，如果采用迪图斯--贝尔特公式，则计算的误差较大，因此可采用齐德-泰特公式进行计算，即 式中的特征长度为管内径d；定性温度为流体的平均温度；μw 表示是以管壁温度选取的流体黏度。上式适用范围：Re≥104；Pr=0.7~16700，管长与管内径之比l/d≥60。 当液体被加热时，取 当液体被冷却时，取

对于短管（管长与管径之比l/d<50）内的强制对流传热，由于其全部或绝大部分的管段处于热边界层尚未充分发展的入口段。因此，在计算对流传热系数时应进行入口效应的修正，即 式中：α为采用上式计算的对流传热系数； α/为流体流经短管的平均对流传热系数。

流体在圆形直管内 呈过渡流时的对流传热系数 管内流动处于过渡流状态，即在2300<Re<104的范围内，其传热情况比较复杂。在此情况下的对流传热系数可先用湍流时的经验关联式计算，然后将计算所得到的对流传热系数再乘以小于1的修正系数，即 式中：α为采用湍流时的经验关联式计算的对流传热系数； α/为过渡流状态下的对流传热系数。

流体在圆形直管内 作层流时的对流传热系数 流体在圆形直管中作层流强制对流传热的情况比较复杂，因为附加的自然对流往往会影响层流对流传热。只有在小管径，且流体与管壁的温度差别不大的情况下，即Gr<25000时，自然对流的影响才能忽略。 式中：除了μw 外，定性温度均取流体的平均温度，特征长度为管内径d。 适用范围： 且管壁处于均匀壁温。

当Gr>25000时，可按上式计算对流传热系数，然后再乘以修正系数得到

流体在圆形直管内 作湍流时的A、m常数的确定 流体在圆形直管内作湍流时的关联式： 即改写为 根据不同流速下测得有关数据，算出准数Nu、Pr和Re的值，用图解法在双对数坐标纸上作Nu/Prn~Re关系曲线图，即可得出A、m的值。

实验装置 及流程 物系： 空气（冷流体）-蒸汽（热流体） 测定管长度：L=1300mm， 管内径： di =18mm 管壁厚：

实验步骤 1.先打开加热电源开关，待上壁温开始升温后，打开空气电源开关，并调节转子流量计为20 。 1.先打开加热电源开关，待上壁温开始升温后，打开空气电源开关，并调节转子流量计为20 。 2.待套管表面发热，打开套管底端法兰下的排气拷克2～3次，排除不凝性气体。 3.打开冷流体（小）系统的冷却水开关，保证冷流体进口温度恒定。 3.整个实验操作控制蒸汽压力恒定在0.04Mpa以下某一刻度，待热流体进口温度恒定后，改变唯一操作变量即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，保持空气继续流动10min，以足够冷却壁温，保护热电偶接促正常。 7.上机数据处理的直线相关系数要求R≥0.93，否则，实验重做。

实验记录及数据处理 1、原始数据记录表 实验装置号： ,di=18mm,δ=2mm,L=1.3m No. 蒸汽 压力 MPa 温度 ℃ 空气 流量 m3/h 空气进口温度 空气出口温度 下壁温 上壁温 1 2 3 4 5 6

实验记录及数据处理 2、计算结果表 编号 Q W Δtm ℃ Δtmh Δtmc K×10-2 W／m2 ℃ αc×10-3 αh×10-2 Re×10-4 Pr Nu 1 2 3 4 5 6 7 8

数据计算过程 1.定性温度 ，查ρ，Cp，λ，μ； 2.换热器流通面积： 3.换热器换热面积：A=πdl 4.空气流量(校正值)： 流速：

数据计算过程 5.计算热负荷（热流量）Ｑ 6.计算总传热系数K 7.计算对流给热系数αc、αh 8.计算准数值 雷诺准数： ，表征流体流动状态； 谱郞特准数： ，表征流体物性的影响； 努塞尔准数： ，描述对流给热系数的大小。 格拉斯霍夫（Gr)准数：描述自然对流的影响（在强制湍流时，可忽略） 。

实验报告要求 （1）写出一组数据的计算过程，即计算示例； （2）数据整理结果列成表格，在双对数坐标纸上作Nu/Prn~Re关系曲线，并由图求出式 中的A、m值，并与 进行比较，分析实验误差及原因； （3）应用实验结果（αc、αh、K等）说明提高总传热系数关键措施是什么？（若αc》αh，K值接近于αh，整个传热过程为热流体的传热步骤所控制；相反，若αc《αh，K值接近于αc，过程为冷流体对流传热步骤所控制。）

实验注意事项 1.实验装置的相关仪表学生不得随便打开，以防触电。 2.打开加热电源开关之前，首先观察蒸发器内是否有水，并及时补充水位至2/3处。 3.实验过程要注意防止烫伤（蒸汽发生器及换热器部位）。 4.实验结束后，一定要注意先关加热电源开关，待温度降至50℃以下，方可关闭空气电源开关。 

实验思考题(1) 1.改变空气流量后，如何使系统尽快稳定？ 2.实验中蒸汽侧的吸热量和空气侧的放热量，哪个用于估算总的传热量更合理？ 3.当空气进口温度不变而流量减小时，空气出口温度有何变化？ 4.为提高总传热系数K，可采用哪些方法？ 5.本实验过程传热的阻力主要在那里？ 6.在实验过程中，出现温度不稳或偏差？如何进行排除？ 7.影响对流传热系数的主要因素有哪些？

实验思考题(2) 8.本实验中所测定的壁面温度是靠近蒸汽的温度，还是接近空气侧的温度？为什么？ 9.对于同一个换热器，若冷、热流体的流量均不变，仅改变操作方式（逆流操作变为并流操作，或并流操作变为逆流操作），试问总传热系数Ｋ是否发生变化？ 10.当风量调节阀关小时，流量计和计前压差计的读数将如何变化？为什么？ 11.为什么壁温与蒸汽温度很接近，而与空气温度相差较大？ 12.当空气流速增大时，空气离开换热器的温度将升高还是降低？为什么？