北 京 化 工 大 学 化 工 原 理 实 验 报 告
实验名称： 对流给热系数测定实验 班 级： 姓 名：
学 号： 序 号： 同 组 人：
设备型号： 对流给热系数测定实验设备-第X套 实验日期：
对流给热系数测定实验——XXX
一、摘要
选用牛顿冷却定律作为对流传热实验的测试原理,通过建立水蒸汽—空气传热系统，分别对普通管换热器和强化管换热器进行了对流传热实验研究。确定了在相应条件下冷流体对流传热膜系数的关联式。此实验方法可测出蒸汽冷凝膜系数和管内对流传热系数。本实验采用由风机、孔板流量计、蒸汽发生器等装置，空气走内管、蒸汽走环隙，用计算机在线采集与控制系统测量了孔板压降、进出口温度和两个壁温，计算传热膜系数α，并通过作图确定了传热膜系数准数关系式中的系数A和指数m（n取0.4），得到了半经验关联式。实验还通过在内管中加入混合器的办法强化了传热，并重新测定了α、A和m。
二、实验目的
1、掌握传热膜系数α及传热系数K的测定方法；
2、通过实验掌握确定传热膜系数准数关系式中的系数A和指数m、n的方法；
3、通过实验提高对准数关系式的理解，并分析影响α的因素，了解工程上强化传热的措施。
三、实验原理
热量的传递方式有传导、对流、辐射三种。流体流经固体表面的传热包含壁面薄层的热传导和主体的热对流，总称为对流给热。计算对流给热过程的热量Q和热流密度q等，通常需先确定给热系数α。
本实验以间壁式换热器中最简单的套管换热器为研究对象，令壳程走热水蒸汽，管程强制逆流走冷空气，跟据牛顿冷却定律可以测得圆管内空气一侧的给热系数α1。进一步可以将无因次准数Nu，Re，Pr等按经验形式联系起来，并回归其中的参数A,a。根据已知A,a的通用关联式确定给热系数，也可达到一定的精度要求，是当前工程上确定α的重要方法。
牛顿冷却定律： Q???A??tm =?1?A1?(tw,1?t1)?(tw,2?t2) tw,1?t1lntw,2?t2 式中：
α——内表面给热系数，[W/(m2·℃)]； Q——传热量，[W]； A——总传热面积[m22]；
Δtm——管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，[℃]；
t1——进口温度，[℃]；
对流给热系数测定实验——XXX
t2——出口温度，[℃]；
tw,1——壁温，[℃]；
tw,2——壁温，[℃]。
其中传热量 ，可由下式求得：
Q?W?Cp?t2?t1?/3600???V?Cp?t2?t1?/3600
式中：
W——质量流量，[kg/h]；
Cp——流体定压比热，[J/(kg·℃)]； t1、t2——流体进、出口温度[℃]； ρ——定性温度下流体密度，[kg/m33]； V——流体体积流量，[m33/h]。
通过测量Δp、t1、t2、tw1、tw2，并根据定性温度（t1+t2）/2和设备尺寸计算Cp1、A1，即可确定α1。空气一侧的截面温度变化大于壁和水蒸气侧，测量t1、t2时，温度计要放在管道中心偏上位置且气体湍动程度足够，才能测出空气主体平均温度，否则误差很大。内外表面壁温差别很小，实验中将热电偶温度计焊接在管壁中心，测量出壁面温度tw1、tw2.空气流量通过孔板流量计测得，计算方法如下： 测量点体积流量：
’?4qv，1=0.62?3.14?10?3600?2?P?1000?空气，测量点 m3?h?1 工作点体积流量：qv，1=qv，1?’?空气，测量点3?1 m?h ?空气，工作点
式中：Δp——孔板流量计压降，kpa；
3?1qv，1——空气流量，m?h。
强化传热（增加Q）的方法有增加K、A和Δtm。由于套管换热器内表面热阻1/?1 （?1/102） 远远大于壁阻?/?铜（
?1/104）及外表面热阻1/?2（滴状冷凝且排除不凝气体等干扰，
，因此向套管内加入静态混合器，可以较大提高?1 ，明显增加K，增加热流量?1/104 ）
Q。测量强化后的给热系数?1的方法以及回归参数A’，a’的关联式形式同上。强化Q付出的代价是空气在管内流动的阻力损失增大，由于空气可压缩等原因，总能量损失除考虑机
械能减少外，还应考虑内能的减少等。
’
四、实验装置
对流给热系数测定实验——XXX
本实验空气走内管，蒸汽走环隙（玻璃管）。内管为黄铜管，内径为0.020m，有效长度为1.25m。空气进、出口温度和管壁温度分别由铂电阻（Pt100）和热电偶测得。测量空气进出口温度的铂电阻应置于进出管的中心。测得管壁温度用一支铂电阻和一支热电偶分别固定在管外壁两端。孔板流量计的压差由压差传感器测得。
实验使用的蒸汽发生器由不锈钢材料制成，装有玻璃液位计，加热功率为1.5kw。风机采用XGB型漩涡气泵，最大压力17.50kpa，最大流量100m3/h。
2、采集系统说明 （1）压力传感器
本实验装置采用ASCOM5320型压力传感器，其测量范围为0～20kpa。 （2）显示仪表 在实验中所有温度和压差等参数均可由人工智能仪表直接读取，并实现数据的在线采集与控制，测量点分别为：孔板压降、进出口温度和两个壁温。
3、流程说明 本实验装置流程如下图所示，冷空气由风机输送，经孔板流量计计量后，进入换热器内管（铜管），并与套管环隙中的水蒸气换热，空气被加热后，排入大气。空气的流量由空气流量调节阀调节。蒸汽由蒸汽发生器上升进入套管环隙，与内管中冷空气换热后冷凝，再由回流管返回蒸汽发生器，用于消除端效应。铜管两端用塑料管与管路相连，用于消除热效应。
图1 套管式换热实验装置和流程
1、风机； 2、孔板流量计； 3、空气流量调节阀； 4、空气入口测温点； 5、空气出口测温点； 6、水蒸气入口壁温； 7、水蒸气出口壁温； 8、不凝气体放空阀； 9、冷凝水回流管； 10、蒸气发生器； 11、补水漏斗； 12、补水阀； 13、排水阀
对流给热系数测定实验——XXX
五、实验操作
1、实验开始前，先弄清配电箱上各按钮与设备的对应关系，以便正确开启按钮。 2、检查蒸汽发生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/2～2/3。 3、打开总电源开关（红色按钮熄灭，绿色按钮亮，以下同）。
4、实验开始时，关闭蒸汽发生器补水阀，启动风机，并接通蒸汽发生器的加热电源，打开放气阀。 5、将空气流量控制在某一值。待仪表数值稳定后，记录数据，改变空气流量（8～10次），重复实验，记录数据。
6、实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，清理现场。
注意：
a、实验前，务必使蒸汽发生器液位合适，液位过高，则水会溢入蒸汽套管；过低，则可能烧毁加热器。
b、调节空气流量时，要做到心中有数，为保证湍流状态，孔板压差读数不应从0开始，最低不小于0.1kpa。实验中要合理取点，以保证数据点均匀。 c、切记每改变一个流量后，应等到读数稳定后再测取数据。
六、实验数据记录及处理
本实验内管内径为0.020m，有效长度为1.25m。
（一）空气强制湍流给热系数