强制对流传热膜系数的测定一,试验目的及任务
2,通过实验掌握确定传热膜系数准数关联式中的系数 A和指数 m,n的方法 。
1,掌握 传热膜系数 及 传热系数 K的测定方法 。
3,掌握测温热电偶的使用方法 。
4,通过实验提高对关联式 的理解,并分析影响 的因素,了解工程上强化传热的措施 。
二,基本原理
1,对流传热的核心问题是求算传热膜系数,当流体无相变化时对流传热准数关联式的一般形式为：
◆ 对强制湍流,准数可以忽略。
rG
p
r
n
r
m
u GPReAN
nrmu PReAN则
2,本试验中，可用 图解法和最小二乘法 计算准数关联式中的指数 m,n和系数 A 。
◆ 用图解法对多变量方程进行关联时，可取 n=0.4，
这样就简化成单变量方程。两边取对数，得到直线方程：
RelgmAlgPNlg,
r
u
40
◆ 在双对数座标系中作图,找出 直线斜率,即为方程的指数 m。 在直线上任取一点的函数值代入方程中得到系数 A,即：
m.
r
u
ReP
NA
40
3,用图解法，根据实验点确定直线位置，有一定的人为性。而用 最小二乘法 回归，可以得到最佳关联结果。
◆ 应用小型电子计算机,对多变量方程进行 一次回归,就能同时得到 A,m,n。
◆ 可以看出对方程的关联，首先要有,,
的数据组。
uN Re rP
◆ 试验中 改变空气的流量 以改变准数 之值。根据 定性温度 计算对应的准数 值。同时由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数值。
Re
rP
◆ 由上进而算得 准数值 。
uN
★ 牛顿冷却定律,
mtAQ
式中,—— 传热膜系数
—— 传热量
A —— 总传热面积 (圆管内表面积 )
—— 管内壁面温度和管内流体温度的对数平均温差。
CMW?2
QW
2M
mt?
C?
☆ 传热量 可由下式求得,Q
3600Q 12 ttCW p
式中,W — 质量流量
— 流体定压比热
,— 流体进出口温度
hkg
PC
CkgJ
1t 2tC?
02 9 31 V.W
◆ 以空气为介质的实验及其传热量 Q计算中的质量流量 W为,
其中：
21
21
0
0
0 TT
PP
P
T
VV
式中,V — 空气转子流量计在操作状态下示值
— 标准状态下气体流量
,— 标准状态下温度 273 和压力 760
hM 3
0V
hM 3
0T 0P
K
mm Hg
公式来源
,— 转子流量计标定状态下温度 293 和压力 760
,— 转子流量计使用状态下温度 和压力
1T 1P
2T 2P
K
mm Hg
K
mm Hg
◆ 空气转子流量计状态压力 由流量计前 U型管表压计 测出。
2P
◆ 由 进口温度计 测出 。
2T
三、装置和流程
◆ 本试验装置共四套，内管均为黄铜管，管内径为 20[mm]有效长度均为 1.975[m]。
◆ 管壁温度由四对铠装热电偶并联连接测得，
即为管壁平均温度。
热电偶毫伏 — 温度关系公式表示：
1,设备及测量仪表,见图第一套第二套第三套第四套
8 5 7 145 7 1 4231,E.t tw
8 5 7 145 7 1 4232,E.t tw
130243,E.t tw
8 9 4 337 4 2 9234,E.t tw
式中,为壁温 （ ℃ ）,
为输出热电势（ mV）。
wt
tE
2、实验流程,流程 符号设备
1.压差计 2.流量调节阀 3.转子流量计
4.备用阀 5.玻璃温度计 6.黄铜管
7.外套管 8.放气咀 9.压力表
10.蒸汽流量调节阀 11.铠装热电偶 12.放气咀
13.泄水阀 14.玻璃温度计 15.排气阀
16.冰瓶 17.转换开关 18.UJ— 63电位差计
19.排气阀 20.疏水器 21.罗兹鼓风机符号说明
★ 冷空气由风机 21经传子流量计 3计量后,
流入内管并与套管环隙中之蒸汽换热 。 空气的流量靠控制阀 2调节,空气的进出口温度由玻璃温度计 5,14测量 。
★ 加热蒸汽由总蒸汽管道经过自动调节系统稳压后，再经阀门 10进入套管环隙，与内管中冷空气换热。
流程
★ 套管换热器所需蒸汽压强由蒸汽阀门 10
控制，由弹簧管压强计 9测量。蒸汽温度则用铠装热电偶 11测定。
★ 加热蒸汽放热冷凝，由疏水器 20排出。
为了排除套管环隙中积存的不凝性气体（如空气）。热交换器一端装有放气咀 8。
★ 热交换器入口有一定长度的稳定段，以消除端效应。
★ 为了测定内管管壁的温度，在内管壁上等距焊有四对热电偶，热电偶热端用铜焊在内管（黄铜管）上预先铣好的凹槽中。热电偶材料为镍铬 —— 镍铝。
★ 热电偶由法兰中间引出后，经冷端至转换开关,17和 UJ— 36电位差计 18。热电偶冷端置于冰瓶 16中。
★ 外套管由五段法兰联接的钢管制成,这是为了 便于安装铠装热电偶 。 管外包有聚氨酯泡沫塑料保温 。
四,操作要点
㈠,在实验开始前，必须掌握 UJ— 63电位差计 的使用方法。
㈡,实验开始时,先通空气。再通加热蒸汽。 并打开放气咀 8，待空气排净后再关小，但在整个实验过程中，它始终微开（ 以冒少量蒸汽为宜 ），以便不凝性气体能连续排除。
㈢,测取数据方法为：
▲ 首先将空气流量控制在某一值（可从低流速开始），再把加热蒸汽压强维持在某一定值（ 0.5~1kg
/ cm,用阀 10来调节）。
2
▲ 待蒸汽压强，空气流量以及进、出口温度 都稳定后,记录数据。维持蒸汽压强不变，改变空气的流量（ 8~10次）。重复实验。同时记录数据。
注意：
◆ 调节空气流量时，保证管内 流速呈湍流 状态；取点时，使其在双对数坐标系上描点均匀。 。
◆ 特别注意每改变一流量，要使 操作稳定后 再读取数据。特别是小流量时尤是如此。
◆ 空气调节阀要 缓缓开启,以免转子上升过快，撞碎玻璃管。
㈣ 结束后,先关蒸汽阀门，再停空气 。清理。
五、报告要求
⑵ 整理出流体在圆管内作强制 湍流流动 时的传热膜系数半经验关联式。
⑴ 在双对数坐标系绘出 对 Re的关系曲线。
0.4
r
u
P
N
⑶ 将实验得到的半经验准数关联式和公认式进行比较。并分析造成偏差的原因。
⑷ 计算 不同流速 下的总传热系数 K值 。
六、讨论题
⒈ 本实验中管壁温度应接近 加热蒸汽温度还是空气温度？为什么？
⒉ 以空气为被加热介质的实验中，当流量增大时,管壁温度 将发生什么变化？为什么？
3.管内空气流动速度对 传热膜系数 有何影响？
当空气流量增大时，空气离开热交换器时的温度 将升高还是降低？为什么？
⒌ 测取数据前，为什么要 排不凝性气体？如果输水器操作不良，会导致什么后果？
⒍ 试估算被加热介质空气一边的 热阻 所占总传热热阻的百分比。
4.如果采用 不同压强的蒸汽 进行实验，对式的关联有没有影响？
7,以空气为介质的传热实验中 雷诺准数 Re最好应如何计算,?
七,附录
（ 转子流量计状态校正公式 ）
★ 转子流量计流量公式如下：
f
ff
RR S
)(2 g VSCV
式中,V— 流量计刻度值；
— 转子流量计的孔流系数；
— 环隙截面积 ；
RC
RS
2M
★ 列出流量计标定时和使用时的流量,
1f
1ff
RR1 S
)(gV2SCV
2f
2ff
RR2 S
)(gV2SCV
及
— 转子体积 ；
— 转子材料密度 ；
— 流体密度 ；
— 转子最大部分截面积 。
fV
3M
f
3Mkg
3Mkg
fS2M
2
1
1
2
V
V
★ 对低压气体服从理想气体状态程,
代入得,
RT
PM
f S
RC
fVR
S
f
因为转子浮升高度相同,,,相同可约去孔流系数,也可认为不变 。 对于气体流量计,上式为：
12
21
12 TP
TPVV
★ 有时为了工艺计算需要,将 V 换算为标准状态下流量：
2
21
21
0
0
10 TT
PP
P
TVV
式中,— 标准状态下流量；
— 转子流量计使用时示值；
,— 标准状态下温度和压力；
、,,— 使用状态和标定状态下温度 和压力 。
0V
1V
0T 0P
2T 2P 1T 1P
谢谢制作人,周 坤 杨小伟牛娅丽 贾海峰指导教师,梁英华 李国江
2,通过实验掌握确定传热膜系数准数关联式中的系数 A和指数 m,n的方法 。
1,掌握 传热膜系数 及 传热系数 K的测定方法 。
3,掌握测温热电偶的使用方法 。
4,通过实验提高对关联式 的理解,并分析影响 的因素,了解工程上强化传热的措施 。
二,基本原理
1,对流传热的核心问题是求算传热膜系数,当流体无相变化时对流传热准数关联式的一般形式为：
◆ 对强制湍流,准数可以忽略。
rG
p
r
n
r
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u GPReAN
nrmu PReAN则
2,本试验中，可用 图解法和最小二乘法 计算准数关联式中的指数 m,n和系数 A 。
◆ 用图解法对多变量方程进行关联时，可取 n=0.4，
这样就简化成单变量方程。两边取对数，得到直线方程：
RelgmAlgPNlg,
r
u
40
◆ 在双对数座标系中作图,找出 直线斜率,即为方程的指数 m。 在直线上任取一点的函数值代入方程中得到系数 A,即：
m.
r
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40
3,用图解法，根据实验点确定直线位置，有一定的人为性。而用 最小二乘法 回归，可以得到最佳关联结果。
◆ 应用小型电子计算机,对多变量方程进行 一次回归,就能同时得到 A,m,n。
◆ 可以看出对方程的关联，首先要有,,
的数据组。
uN Re rP
◆ 试验中 改变空气的流量 以改变准数 之值。根据 定性温度 计算对应的准数 值。同时由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数值。
Re
rP
◆ 由上进而算得 准数值 。
uN
★ 牛顿冷却定律,
mtAQ
式中,—— 传热膜系数
—— 传热量
A —— 总传热面积 (圆管内表面积 )
—— 管内壁面温度和管内流体温度的对数平均温差。
CMW?2
QW
2M
mt?
C?
☆ 传热量 可由下式求得,Q
3600Q 12 ttCW p
式中,W — 质量流量
— 流体定压比热
,— 流体进出口温度
hkg
PC
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02 9 31 V.W
◆ 以空气为介质的实验及其传热量 Q计算中的质量流量 W为,
其中：
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式中,V — 空气转子流量计在操作状态下示值
— 标准状态下气体流量
,— 标准状态下温度 273 和压力 760
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0T 0P
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公式来源
,— 转子流量计标定状态下温度 293 和压力 760
,— 转子流量计使用状态下温度 和压力
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2T 2P
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◆ 空气转子流量计状态压力 由流量计前 U型管表压计 测出。
2P
◆ 由 进口温度计 测出 。
2T
三、装置和流程
◆ 本试验装置共四套，内管均为黄铜管，管内径为 20[mm]有效长度均为 1.975[m]。
◆ 管壁温度由四对铠装热电偶并联连接测得，
即为管壁平均温度。
热电偶毫伏 — 温度关系公式表示：
1,设备及测量仪表,见图第一套第二套第三套第四套
8 5 7 145 7 1 4231,E.t tw
8 5 7 145 7 1 4232,E.t tw
130243,E.t tw
8 9 4 337 4 2 9234,E.t tw
式中,为壁温 （ ℃ ）,
为输出热电势（ mV）。
wt
tE
2、实验流程,流程 符号设备
1.压差计 2.流量调节阀 3.转子流量计
4.备用阀 5.玻璃温度计 6.黄铜管
7.外套管 8.放气咀 9.压力表
10.蒸汽流量调节阀 11.铠装热电偶 12.放气咀
13.泄水阀 14.玻璃温度计 15.排气阀
16.冰瓶 17.转换开关 18.UJ— 63电位差计
19.排气阀 20.疏水器 21.罗兹鼓风机符号说明
★ 冷空气由风机 21经传子流量计 3计量后,
流入内管并与套管环隙中之蒸汽换热 。 空气的流量靠控制阀 2调节,空气的进出口温度由玻璃温度计 5,14测量 。
★ 加热蒸汽由总蒸汽管道经过自动调节系统稳压后，再经阀门 10进入套管环隙，与内管中冷空气换热。
流程
★ 套管换热器所需蒸汽压强由蒸汽阀门 10
控制，由弹簧管压强计 9测量。蒸汽温度则用铠装热电偶 11测定。
★ 加热蒸汽放热冷凝，由疏水器 20排出。
为了排除套管环隙中积存的不凝性气体（如空气）。热交换器一端装有放气咀 8。
★ 热交换器入口有一定长度的稳定段，以消除端效应。
★ 为了测定内管管壁的温度，在内管壁上等距焊有四对热电偶，热电偶热端用铜焊在内管（黄铜管）上预先铣好的凹槽中。热电偶材料为镍铬 —— 镍铝。
★ 热电偶由法兰中间引出后，经冷端至转换开关,17和 UJ— 36电位差计 18。热电偶冷端置于冰瓶 16中。
★ 外套管由五段法兰联接的钢管制成,这是为了 便于安装铠装热电偶 。 管外包有聚氨酯泡沫塑料保温 。
四,操作要点
㈠,在实验开始前，必须掌握 UJ— 63电位差计 的使用方法。
㈡,实验开始时,先通空气。再通加热蒸汽。 并打开放气咀 8，待空气排净后再关小，但在整个实验过程中，它始终微开（ 以冒少量蒸汽为宜 ），以便不凝性气体能连续排除。
㈢,测取数据方法为：
▲ 首先将空气流量控制在某一值（可从低流速开始），再把加热蒸汽压强维持在某一定值（ 0.5~1kg
/ cm,用阀 10来调节）。
2
▲ 待蒸汽压强，空气流量以及进、出口温度 都稳定后,记录数据。维持蒸汽压强不变，改变空气的流量（ 8~10次）。重复实验。同时记录数据。
注意：
◆ 调节空气流量时，保证管内 流速呈湍流 状态；取点时，使其在双对数坐标系上描点均匀。 。
◆ 特别注意每改变一流量，要使 操作稳定后 再读取数据。特别是小流量时尤是如此。
◆ 空气调节阀要 缓缓开启,以免转子上升过快，撞碎玻璃管。
㈣ 结束后,先关蒸汽阀门，再停空气 。清理。
五、报告要求
⑵ 整理出流体在圆管内作强制 湍流流动 时的传热膜系数半经验关联式。
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0.4
r
u
P
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⑶ 将实验得到的半经验准数关联式和公认式进行比较。并分析造成偏差的原因。
⑷ 计算 不同流速 下的总传热系数 K值 。
六、讨论题
⒈ 本实验中管壁温度应接近 加热蒸汽温度还是空气温度？为什么？
⒉ 以空气为被加热介质的实验中，当流量增大时,管壁温度 将发生什么变化？为什么？
3.管内空气流动速度对 传热膜系数 有何影响？
当空气流量增大时，空气离开热交换器时的温度 将升高还是降低？为什么？
⒌ 测取数据前，为什么要 排不凝性气体？如果输水器操作不良，会导致什么后果？
⒍ 试估算被加热介质空气一边的 热阻 所占总传热热阻的百分比。
4.如果采用 不同压强的蒸汽 进行实验，对式的关联有没有影响？
7,以空气为介质的传热实验中 雷诺准数 Re最好应如何计算,?
七,附录
（ 转子流量计状态校正公式 ）
★ 转子流量计流量公式如下：
f
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RR S
)(2 g VSCV
式中,V— 流量计刻度值；
— 转子流量计的孔流系数；
— 环隙截面积 ；
RC
RS
2M
★ 列出流量计标定时和使用时的流量,
1f
1ff
RR1 S
)(gV2SCV
2f
2ff
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及
— 转子体积 ；
— 转子材料密度 ；
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— 转子最大部分截面积 。
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★ 对低压气体服从理想气体状态程,
代入得,
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因为转子浮升高度相同,,,相同可约去孔流系数,也可认为不变 。 对于气体流量计,上式为：
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★ 有时为了工艺计算需要,将 V 换算为标准状态下流量：
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式中,— 标准状态下流量；
— 转子流量计使用时示值；
,— 标准状态下温度和压力；
、,,— 使用状态和标定状态下温度 和压力 。
0V
1V
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谢谢制作人,周 坤 杨小伟牛娅丽 贾海峰指导教师,梁英华 李国江
