横管对流传热系数的测定Word文档格式.docx
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（（111222211122（1
ppWWMM
mQmcTTmcttATTAttKAtαα=-=-=-=-=∆⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅式中:
Q——传热量,W;
m1——热流体质量流量,kg/s;
cp1——定性温度下热流体的比热,J/（kg·
℃;
T1——热流体进口温度,℃;
T2——热流体出口温度,℃;
m2——冷流体质量流量,kg/s;
cp2——定性温度下冷流体的比热,J/（kg·
t1——冷流体进口温度,℃;
t2——冷流体出口温度,℃;
α
1——
热流体与固体壁面的对流传热系数,W/（m2·
A1——热流体侧的传热面积,m2;
（T-TwM——
热流体与固体壁面的对数平均温度差,℃;
α
2——
冷流体与固体壁面的对流传热系数,W/（m2·
A2——冷流体侧的传热面积,m2;
（tw-tm——固体壁面与冷流体的对数平均温度差,℃;
K——以传热面积A为基准的总传热系数,W/（m2·
A——传热面积,m2;
△tm——冷、热流体的对数平均温度差,℃。
热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（2计算:
（（（11221122
（2
lnWWWmWWTTTTTTTTTT----=
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅--式中:
Tw1——热流体进口端热流体侧的壁面温度,℃;
Tw2——热流体出口端热流体侧的壁面温度,℃。
固体壁面与冷流体的对数平均温差可由（3式计算:
（3
lnWWWmWWtttttttttt----=
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅--式中:
tw1——冷流体进口端冷流体侧的壁面温度,℃;
tw2——冷流体出口端冷流体侧的壁面温度,℃。
热、冷流体间的对数平均温差可由（4式计算:
12211221
（（
（4
ln
mTtTttTtTt---∆=
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅--
冷流体（空气的质量流量可由（5式计算:
20'
（5
mVρ=⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅式中:
V’——空气实际体积流量,m3/s;
ρ0——空气在孔板处的密度,kg/m3。
本实验中ρ
即为空气在进口
温度下对应的密度。
注意:
空气在无纸记录仪上显示的体积流量,与空气流过孔板时的密度有关,考虑到实际过程中,空气的进口温度不是定值,为了处理上的方便,无纸记录仪上显示的体积流量是将孔板处的空气密度ρ0当作1kg/m3时的读数,因此,如果空气实际密度不等于该值,则空气的实际体积流量应按下式进行校正
'
（6
V=
式中:
V——无纸记录仪上显示的空气的体积流量,m3/s。
在本装置的套管换热器中,环隙内通水蒸汽,紫铜管内通空气,水蒸汽在紫
铜管表面冷凝放热而加热空气。
当内管材料导热性能很好,即λ值很大,且管壁
厚度较薄时,可认为同一截面处换热管二侧壁温近似相等,即TW2≈tW1,TW1≈tW2,在传热过程达到稳定后,由式（1可得:
2221221（（（7
pWmmcttAttα-=-⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
即
22212（（8
（pWm
mcttAttα-=
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-
实验中测定出紫铜管的壁温tw1、tw2;
冷流体的进出口温度t1、t2,并查取t
平均
=0.5*（t1+t2下冷流体对应的cp2、实验用紫铜管的长度l、内径d2,A=πd2l和
冷流体的质量流量m2,即可计算出α2。
一般情况下,直接测量固体壁面温度,尤其是管内壁温度,实验技术难度较大,因此,工程上也常采用通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流传热系数。
下面介绍其他两种测定对流传热系数α2
的实
验方法。
（1近似法求算空气侧对流传热系数α2
以管内壁面积为基准的总传热系数与对流传热系数间的关系为:
222212111
11
（9ssmbdddRRKdddαλα=++++⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅式中:
d1——换热管外径,m;
d2——换热管内径,m;
dm——换热管的对数平均直径,m;
b——换热管的壁厚,m;
λ——换热管材料的导热系数,W/（m2·
Rs1——换热管外侧的污垢热阻,m2·
K/W;
Rs2——换热管内侧的污垢热阻,m2·
K/W。
总传热系数K可由式（1求得:
2221（（10
pmm
mcttQKAtAt-==⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅∆∆
实验测定m2、t1、t2、T1、T2,并查取t平均=0.5*（t1+t2下冷流体对应的cp2、
传热面积A,即可由上式计算得到总传热系数K。
用本装置进行实验时,管内冷流体与管壁间的对流传热系数约为及时到几百W/（m2·
K;
而管外为蒸汽冷凝,冷凝给热系数α1可达104W/（m2·
K左右,因此冷凝传热热阻d2/（a1d1可忽略,同时蒸汽冷凝较为清洁,因此换热管外侧的污垢热阻Rs1d2/d1也可忽略。
实验中的传热元件材料用紫铜,导热系数为383.8W/（m·
K,壁厚1.5mm,因此换热管壁的导热热阻（bd2/（λdm可忽略。
若换热管内侧污垢热阻Rs2也忽略不计,则由式（9得
2（11Kα≈⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
由此可见,被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小,此法所求得的结果准确性越高。
2、准数方程式
对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时,传热准数经验式为:
0.80.023RePr（12
nNu=⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
Nu—努塞尔数,
22
dNuαλ=
无因次;
Re—雷诺数,
2Reduρ
μ=
Pr—普兰特数,
2'
Prpcμ
λ=
无因次。
上式适用范围为:
Re=1.0×
104~1.2×
105,Pr=0.7~120,管长与管内径之比L/d≥60。
当流体被加热时n=0.4,流体被冷却时n=0.3。
式中:
λ’——定性温度下空气的导热系数,W/（m·
u——空气在换热管内流动的平均速度,m/s;
ρ——定性温度下空气的密度,kg/m3;
μ——定性温度下空气的粘度,Pa·
s。
故可由实验获取的数据点拟合出相关准数后,在双对数坐标纸上,即可作出Nu~Re直线,确定Nu=BRen的拟合方程,并与公认的经验公式进行对比,以验证实验效果。
通过普通管和强化传热管实验结果的对比,分析影响传热系数的因素和强化
传热的途径。
三.实验装置及流程
本实验装置流程如图2由蒸汽发生器、孔板流量变送器、变频器、套管换热器及温度传感器、智能显示仪表等构成。
1—风机2—蒸汽发生器3—孔板流量计4—压差传感器5—普通套管换热器6—强化套管换热器t1、t2、t3、T1、T、T’、Tw1、Tw2、Tw1’、Tw2’—温度传感器F1、F2、F3、F4、F5、F6—阀门
图2横管对流传热系数测定实验装置流程图
表1竖管对流传热系数测定实验装置流程图符号说明表
空气-水蒸气换热流程:
来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器,与被风机抽进的空气进行换热交换,冷凝水经排出阀排入盛水装置。
空气由风机提供,流量通过变频器改变风机转速达到自动控制,空气经孔板流量计进入套管换热器内管,热交换后从风机出口排出。
本实验中,普通和强化实验通过管路上的切换阀门进行切换。
四.实验步骤
1、检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常;
2、蒸汽发生器灌水至液位4/5处;
3、打开总电源开关、仪表电源开关,选择管路,并与仪表显示一致后开启蒸汽发生器,加热。
（在仪表中通过PID调节,可调节加热功率。
同时,稍微打开两个不凝性气体排出阀,控制温度在100℃左右;
4、等有不凝性气体大量冒出时,蒸汽缓缓进入换热器环隙以加热套管换热器,再打开换热器冷凝水排放阀（冷凝水排放阀开度不要开启过大,以免蒸汽泄漏,使环隙中冷凝水不断的排出;
5、启动风机;
6、调节风量至实验值进行实验。
根据测试要求,由大到小逐渐调节空气流量,合理确定5个实验点。
待流量和热交换稳定后记录冷流体流量、冷流体进出口温度、热流体进出口端的壁温及蒸汽温度;
7、实验结束时,先关闭蒸汽发生器电源,待蒸汽发生器内温度下降至95℃以下后,再关闭风机电源,关闭总电源,将实验装置恢复原状。
五.实验原始数据
1、普通管
2、强化管
六.实验数据处理
普通管中以第三组为例演示计算过程:
定性温度:
1216.79867.5=42.149C22ttt++==︒定性
查表得该温度下空气的物性如下:
密度:
3
=1.121kg/mρ
比热容:
（21.005/pckJkgK=⋅粘度:
51.9210Pasμ-=⨯⋅导热系数:
（0.0277/WmKλ=⋅空气的质量流速和其在管内流速
116.798Ct=︒时的空气密度约为301.218/kgmρ=体积流量:
332.7710/Vms-=
=⨯
质量流量:
320'
3.3710/mVkgsρ-==⨯平均流速:
2
4'
13.78/Vumsd
π==雷诺数:
5
0.01613.781.121
Re128731.9210duρ
μ
-⨯⨯=
=
对数平均温差的计算
固体壁面与冷液体之间的对数平均温差:
（（12211221
100.267.5100.18816.798（（100.267.5
lnln
100.18816.798wwmwwTtTttTtTt------∆=
=----=54.147℃
α2的计算（以内表面为基准用壁面温度与冷流体之间传热求得:
（3322212223.37101.0051067.516.79861.86/0.0161.0254.147
pwm
mcttWmKAttαπ--⨯⨯⨯⨯-=
==⋅-⨯⨯⨯
努塞尔准数:
2261.860.016
35.730.0277
dNuαλ⨯=
==普通管
曲线方程为:
0.77710.0226ReNu=20.9986R=
强化管中以第三组为例演示计算过程:
定性温度:
1216.79876.698=46.748C22ttt++==︒定性
=1.104kg/mρ
51.9410Pasμ-=⨯⋅
导热系数:
（0.0281
/WmKλ=⋅空气的质量流速和其在管内流速
116.798Ct=︒时的空气密度约为301.218/kgmρ=
体积流量:
332.1910/Vms-=
2.6710/mVkgsρ-==⨯平均流速:
10.89/Vumsd
0.01610.891.104
Re99161.9410
duρ
=⨯对数平均温差的计算
100.876.69898.30816.798（（lnln
98.30816.798wwmwwTtTttTt------∆=
=--=47.116℃
（3322212222.67101.0051076.69816.79866.54/0.0161.0247.116
2266.540.016
37.890.0281
==强化管
定性温度t/℃43.1545.34946.74847.599校正流量10-3V'
/（m3/s4.743.162.191.52密度3ρ/（kg/m1.1171.1091.1041.101比热Cp2/kJ/（kg•℃1.0051.0051.0051.005平均流速u/（m/s23.5715.7210.897.56黏度-5μ/10Pa•s1.931.941.941.95雷诺数Re218261437899166830导热系数λ/W/（m•K0.02780.02800.02810.0281对数平均温度（tW-t）m52.52949.30447.11645.750孔板处空气密度ρ0/（kg/m31.2181.2181.2181.219α2W/（m2•K112.6186.7866.5449.14冷流体进出口温差（t2-t1）/℃52.30052.69859.90061.998努赛尔准数Nu64.8149.5937.8927.98质量流率10-3m2/（kg/s5.773.852.671.85装订线以Re为x轴，Nu为y轴，在双对数坐标系下做出如下曲线：
100y=0.0485x0.7221R2=0.9971系列1乘幂（系列1Nu10100010000Re100000曲线方程为：
Nu=0.0485Re0.7221R2=0.9971七．实验结论1、普通管从实验数据分析可知对流传热系数与流体流量有关，具体规律为：
冷流体与固体壁面之间的对流传热系数α2随着冷流体流量的增加逐渐增大，且Nu与Re的关系式为：
Nu=0.0226Re2、强化管从实验数据分析可知对流传热系数与流体流量有关，与普通管规律相似即：
冷流体与固体壁面之间的对流传热系数α20.7771；
随着冷流体流量的增加逐渐增大，且
Nu与Re的关系式为：
Nu=0.0485Re3、强化管与普通管的对比0.7221；
由普通管和强化管实验数据的计算结果可以看出强化管的α这说明强化管的传热效果比普通管好。
2值增大很多，但在实验中我们可以观察到，当进行强化管实验时，其流速低于用普通管，强化管的最大流量不能达到普通管的最大流量，经思考分析后，其原因为强化管在管内增加弹簧，虽然可以提高传热效率，但是管路阻力增大，降低了管路的效率，增加传热时功率的消耗。
八．实验讨论装订线
（1）思考题：
1.实验中冷流体的和蒸汽的流向，对传热效果有何影响？
答：
逆流传热优于并流传热，主要是Dt有所不同，在本次实验中可近似无m影响，因为在本次实验中近似认为热蒸汽的温度是不变的，则不管是逆流还是并流，Dt可以看做是不变的。
m2.在计算冷流体质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值是否一致？
它们分别表示什么位置的密度，应在什么条件下进行计算？
不一致。
计算冷流体质量流量时所用到的空气密度值是冷流体进口温度下的密度，而计算雷诺数时用到的密度值是流体进行传热后温度下的密度值，计算中就是定性温度（冷流体进、出口温度的算术平均值）下的密度值。
3.实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？
如何及时排走冷凝水？
如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？
冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，形成一层深液膜，使热阻增大，降低了传热速率。
通过在外管冷流体出口处设置排水口，适当调节阀门开口，及时排走冷凝水。
r2gl3rö
4，当蒸汽压强增采用不同压强下的蒸汽，基本无影响。
因为aµ
æ
ç
÷
è
md0Dtø
1r2gl3rö
4变化不大，所以认为蒸汽加时，r和△t均增加，其它参数不变，故æ
1
压强对α关联式无影响。
（2）注意事项1．开始加热功率可以很大，但当温度达到100℃左右，有大量不凝气体排出时，加热电压一般控制在250V左右。
2．实际实验管路要和仪表柜上选择开关及计算机上的显示一致，否则实验失败。
3．实验中不凝气体阀门和冷凝水阀门要一直开启，防止积水，影响实验效果。
4．测定各参数时，必须是在稳定传热状态下。
一般传热稳定时间都至少需装订线保证8分钟以上，以保证数据的可靠性（第一组数据的测定至少稳定15分钟）。
5．实验过程中，要确保蒸汽发生器内水位不能低于警戒水位。
（3）误差分析实验中可能出现误差的原因有：
1．实验结果所得雷诺数并不完全满足拟合所用经验公式适用范围，使得分析时产生系统误差；
2．不能完全忽略污垢热阻和紫铜管热阻，从而产生系统误差；
3．管内壁温度是利用测温贴片测得的管外壁壁温近似代替的，并不完全准确；
4．套管内压力变化会对蒸汽温度造成一定影响；
5．由于管路中仍然存留这部分冷凝水，致使传热不均匀，产生了实验误差。
6．其他仪器误差、系统误差、偶然误差等。
（4）讨论与心得1．由于管质原因等不同，可能造成强化管传热系数提高并不很明显。
2．由于强化管采集的实验数据只有四组，造成普通管和强化管n值的差别较大，因多做几组数据减小差距。
此外普通管也只有五组，在绘制Re与Nu的拟合曲线时，多做几组会使得拟合结果各位准确。
3．通过本次试验对于对流传热系数这一物理量有了更全面的了解，了解了影响其大小的各个因素，对于理论知识的综合把握和消化理解很有帮助。
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