北 京 化 工 大 学化 工 原 理 实 验 报 告
实验名称： 班 级： 姓 名： 学 号： 同 组 人： 实验日期：
实验报告
实验名称：传热膜系数测定实验 实验日期：2014年12月17日 班 级： 学生姓名： 同 组 人： 学 号：
一、实验摘要
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。
关键词：强制对流、传热膜系数、关联式
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
对流传热的核心问题是求算传热膜系数α，当流体无相变时对流传热准数关系式的一般形式为
N u =AR e m P r n G r p ①
对于强制湍流而言，Gr 数可忽略，即
N u =AR e m P r n ②
本实验中，可用图解法和最小二乘法计算上述准数关系式中的指数m 、n 和系数A 。 用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同的变量Re 和Pr 分别回归。本实验可简化上式，即取n=0.4（流体被加热）。这样，式②即变为单变量方程，在两边取对数，得到直线方程为
lg
N u
=lg A +mlg R e ③ P r 0. 4
在双对数坐标中作图，求出直线斜率，即为方程的指数m 。在直线上任取一点函数值代入方程中，则可得到系数A , 即
A =
N u
④
P r 0. 4R e m
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，可以得到最佳结果。应用计算机辅助手段，对对变量方程进行一次回归，就能同时得到A 、m 、n 。
对于方程的关联，首先要有Nu 、Re 、Pr 的数据组。其特征数定义式分别为
R e =
du ρ
μ
，P r =
Cp μ
λ
，N u =
αd λ
实验中改变空气的流量，以改变Re 值。根据定性温度（空气进、出口温度的算术平均值）计算对应的Pr 值。同时，由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数值，进而求得Nu 值。
牛顿冷却定律为
Q =αA ∆t m ⑤
式中 α-----传热膜系数，m ∙℃； Q-----传热量，W ; A-----总传热面积，m ；
∆t m ---管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，℃。
传热量可由下式求得
2
(
2
)
Q =W c p (t 2-t 13600=ρV s c p (t 2-t 1)3600 ⑥
式中 W-----质量流量，kg h ；
c p ----流体的必定压热容，J (kg ∙℃)； t 1，t 2----流体进、出口温度，℃；
ρ-----定性温度下的流体密度，kg m 3；
3
V s -----流体体积流量，m 。
空气的体积流量由孔板流量计测得，其流量V s 与孔板流量计压降∆p 的关系为
V s =26. 2∆p 0. 54 ⑦
式中 ∆p -----孔板流量计压降，kPa ；
V s ------空气流量，m 3h 。
四、实验装置和流程
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 五、实验操作要点
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、实验数据及处理
本实验内管内径为0.020m ，有效长度为1.25m 。 原始数据：
查表得物性数据：
数据处理得：
以第一组数据为例，计算如下： 定性温度：t =
t 1+t 231. 00+60. 20
=℃=45. 60℃ 22
对数平均温度：∆t m =
t 2-t 160. 20-31. 00
=℃=52. 97℃ w 1ln ln
99. 90-60. 20t w -t 2
空气流量：V s =26. 2∆p 0. 54=26. 2⨯3. 850. 54m 3=54. 26m 3
传热量：Q =ρV s C p 传热膜系数：α=
t 2-t 160. 20-31. 00
=1. 163⨯54. 26⨯1003⨯W =513. 26W 36003600
Q 513. 26
=W m 2∙℃=123. 45W m 2∙℃ A ∆t m 0. 0785⨯52. 97
()()
努塞尔准数：N u =
αd 123. 45⨯0. 02==88. 50 λ0. 0279
C p μ
1003⨯1. 94⨯10-5
==0. 697 普朗特准数：P r =λ0. 0279
雷诺数：R e =
4ρV s 4⨯1. 163⨯54. 26==57612
3600πd μ3600⨯3. 14⨯0. 02⨯1. 94⨯10-5
由以上数据可画出如下图：
结果分析：
①由以上图可得，对于强制湍流而言，Gr 数可忽略，实验得到的准数关联式为
N u =0. 024R e 0. 7646P r 0. 4
公认的准数关联式为
N u =0. 023R e 0. 8P r 0. 4
拟合较好，与公认关联式相差不大。
②Nu/Pr0.4～Re 关系曲线的线性非常好，说明当流体无相变时，用量纲分析法推导出的对流传热准数关系式N u =AR e P r （在强制对流即忽略Gr 影响时）的准确性是很好的。
m
n
七、思考题
1、本实验中管壁温度应接近蒸汽温度还是空气温度？为什么？
答：应接近蒸汽温度。因为蒸汽冷凝传热膜系数远远大于空气传热膜系数，
2、管内空气流速对传热膜系数有何影响？当空气流速增大时，空气离开热交换器时的温度将升高还是降低？为什么？
答：传热膜系数将变大，但空气离开热交换器时死亡温度将降低。传热膜系数正比于流速的0.8次方，当空气流速增大时，传热膜系数增大。由公式
Q =W c p (t 2-t 1=ρV s c p (t 2-t 1，V s 增大而Q 不变时，温度随之减小，所以
空气离开热交换器时温度将降低。
3、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α的关联有无影响？
答：没有影响。因为本实验采用的是量纲分析法，蒸气的压强变化会同时反应在 雷诺数Re 、流量q v 、传热膜系数α、努塞尔准数Nu 等数据上，可以得到不同Re 值下的
N u /Pr 0. 4值，所以仍然可以进行关联。
6、本实验可采取哪些措施强化传热？
答：改变流动条件。通过设计特殊传热壁面，使流体在流动过程中不断改变流动方向，提高湍流程度，提高流体流速。加入填充物或改用严格逆流的套管换热器或螺旋板换热器。
北 京 化 工 大 学化 工 原 理 实 验 报 告
实验名称： 班 级： 姓 名： 学 号： 同 组 人： 实验日期：
实验报告
实验名称：传热膜系数测定实验 实验日期：2014年12月17日 班 级： 学生姓名： 同 组 人： 学 号：
一、实验摘要
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。
关键词：强制对流、传热膜系数、关联式
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
对流传热的核心问题是求算传热膜系数α，当流体无相变时对流传热准数关系式的一般形式为
N u =AR e m P r n G r p ①
对于强制湍流而言，Gr 数可忽略，即
N u =AR e m P r n ②
本实验中，可用图解法和最小二乘法计算上述准数关系式中的指数m 、n 和系数A 。 用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同的变量Re 和Pr 分别回归。本实验可简化上式，即取n=0.4（流体被加热）。这样，式②即变为单变量方程，在两边取对数，得到直线方程为
lg
N u
=lg A +mlg R e ③ P r 0. 4
在双对数坐标中作图，求出直线斜率，即为方程的指数m 。在直线上任取一点函数值代入方程中，则可得到系数A , 即
A =
N u
④
P r 0. 4R e m
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，可以得到最佳结果。应用计算机辅助手段，对对变量方程进行一次回归，就能同时得到A 、m 、n 。
对于方程的关联，首先要有Nu 、Re 、Pr 的数据组。其特征数定义式分别为
R e =
du ρ
μ
，P r =
Cp μ
λ
，N u =
αd λ
实验中改变空气的流量，以改变Re 值。根据定性温度（空气进、出口温度的算术平均值）计算对应的Pr 值。同时，由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数值，进而求得Nu 值。
牛顿冷却定律为
Q =αA ∆t m ⑤
式中 α-----传热膜系数，m ∙℃； Q-----传热量，W ; A-----总传热面积，m ；
∆t m ---管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，℃。
传热量可由下式求得
2
(
2
)
Q =W c p (t 2-t 13600=ρV s c p (t 2-t 1)3600 ⑥
式中 W-----质量流量，kg h ；
c p ----流体的必定压热容，J (kg ∙℃)； t 1，t 2----流体进、出口温度，℃；
ρ-----定性温度下的流体密度，kg m 3；
3
V s -----流体体积流量，m 。
空气的体积流量由孔板流量计测得，其流量V s 与孔板流量计压降∆p 的关系为
V s =26. 2∆p 0. 54 ⑦
式中 ∆p -----孔板流量计压降，kPa ；
V s ------空气流量，m 3h 。
四、实验装置和流程
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 五、实验操作要点
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、实验数据及处理
本实验内管内径为0.020m ，有效长度为1.25m 。 原始数据：
查表得物性数据：
数据处理得：
以第一组数据为例，计算如下： 定性温度：t =
t 1+t 231. 00+60. 20
=℃=45. 60℃ 22
对数平均温度：∆t m =
t 2-t 160. 20-31. 00
=℃=52. 97℃ w 1ln ln
99. 90-60. 20t w -t 2
空气流量：V s =26. 2∆p 0. 54=26. 2⨯3. 850. 54m 3=54. 26m 3
传热量：Q =ρV s C p 传热膜系数：α=
t 2-t 160. 20-31. 00
=1. 163⨯54. 26⨯1003⨯W =513. 26W 36003600
Q 513. 26
=W m 2∙℃=123. 45W m 2∙℃ A ∆t m 0. 0785⨯52. 97
()()
努塞尔准数：N u =
αd 123. 45⨯0. 02==88. 50 λ0. 0279
C p μ
1003⨯1. 94⨯10-5
==0. 697 普朗特准数：P r =λ0. 0279
雷诺数：R e =
4ρV s 4⨯1. 163⨯54. 26==57612
3600πd μ3600⨯3. 14⨯0. 02⨯1. 94⨯10-5
由以上数据可画出如下图：
结果分析：
①由以上图可得，对于强制湍流而言，Gr 数可忽略，实验得到的准数关联式为
N u =0. 024R e 0. 7646P r 0. 4
公认的准数关联式为
N u =0. 023R e 0. 8P r 0. 4
拟合较好，与公认关联式相差不大。
②Nu/Pr0.4～Re 关系曲线的线性非常好，说明当流体无相变时，用量纲分析法推导出的对流传热准数关系式N u =AR e P r （在强制对流即忽略Gr 影响时）的准确性是很好的。
m
n
七、思考题
1、本实验中管壁温度应接近蒸汽温度还是空气温度？为什么？
答：应接近蒸汽温度。因为蒸汽冷凝传热膜系数远远大于空气传热膜系数，
2、管内空气流速对传热膜系数有何影响？当空气流速增大时，空气离开热交换器时的温度将升高还是降低？为什么？
答：传热膜系数将变大，但空气离开热交换器时死亡温度将降低。传热膜系数正比于流速的0.8次方，当空气流速增大时，传热膜系数增大。由公式
Q =W c p (t 2-t 1=ρV s c p (t 2-t 1，V s 增大而Q 不变时，温度随之减小，所以
空气离开热交换器时温度将降低。
3、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α的关联有无影响？
答：没有影响。因为本实验采用的是量纲分析法，蒸气的压强变化会同时反应在 雷诺数Re 、流量q v 、传热膜系数α、努塞尔准数Nu 等数据上，可以得到不同Re 值下的
N u /Pr 0. 4值，所以仍然可以进行关联。
6、本实验可采取哪些措施强化传热？
答：改变流动条件。通过设计特殊传热壁面，使流体在流动过程中不断改变流动方向，提高湍流程度，提高流体流速。加入填充物或改用严格逆流的套管换热器或螺旋板换热器。