化工原理实验报告_空气总传热

总传热系数与对流传热系数的测定

一、实验目的

1．了解间壁式换热器的结构与操作原理； 2．学习测定套管换热器总传热系数的方法； 3．学习测定空气侧的对流传热系数；

4．了解空气流速的变化对总传热系数的影响。

二、实验原理

本实验采用套管式换热器，热流体走管间，为蒸汽冷凝，冷流体走内管，为空气。该传热过程由水蒸气到不锈钢管外管壁的对流传热、从外管壁到内管壁的传导传热、内管壁到冷水的对流传热三个串联步骤组成。

实验流程如图1所示。

图1. 传热实验装置流程图

7-旋塞 8-空气进口温度计 9-空气出口温度计 10-不凝气排放口

1-空气流量调节阀 2-转子流量计 3-蒸汽调节阀 4-蒸汽压力表 5-套管换热器 6-冷凝水排放筒

套管换热器5由不锈钢管（或紫铜管）内管和无缝钢外管组成。内管的进出口端各装有热电阻温度计一支，用于测量空气的进出口温度。内管的进、出口端及中间截面外壁表面上，各焊有三对热电偶，型号为WRNK-192。

不锈钢管规格21.252.75，长1.10米 S=doL=0.0734m2 紫铜管162，长1.20米 S=doL=0.0603m2 转子流量计（空气，0~20m3/h，20℃） 数字显示表SWP-C40

此设备的总传热系数可由下式计算：

K

Tt进Tt出Q

其中 tm

Tt进Stm

ln

Tt出

式中：Q——传热速率，W；

S——传热面积，m2；S=doL

tm——对数平均温度差，℃

T——饱和蒸汽温度，℃，根据饱和蒸汽压力查表求得；

t进、t出——分别为空气进、出口温度，℃。

通过套管换热器间壁的传热速率，即空气通过换热器被加热的速率，用下式求得：

Qmscpt出t进， W

其中，Cp应取进、出口平均温度下空气的比热容。W=Vs，其中为进口温度下空气的密度。 对流传热系数的计算公式为

QStm

式中

S─内管的内表面积，m2；

─空气侧的对流传热系数，W/(m2C)； tm─空气与管壁的对数平均温度差，C。 tm

tw1t1tw2t2

ttlnw11

tw2t2

所得到的值可以仿照Dittus-Boelter equation进行关联：

Nu

式中

idi

0.023Re0.8Pr0.4 

diu

Re─Reynolds number雷诺准数，Re



Cp

Pr─Prandtl number普朗特准数，Pr



空气的物性参数应取进、出口平均温度下的值。

实验过程中，蒸汽阀门和冷凝水排放阀都应保持开通，避免冷凝水在器内积存。

空气的流量Vs由转子流量计测得，单位为体积流量m3/h。当通过转子流量计的空气温度不是20℃是，需根据密度变化进行流量校正。若转化为质量流量，需根据通过转子流量计的空气的温度查表得到水的密度，此温度即空气入口处温度。

实验过程中，锅炉内的水蒸气压力由控温仪自动控制在0.05（0.04）MPa，此压力为表压力，水蒸气的温度应由其绝对压力查表得到。在此，水蒸气温度为110.4（109.4）℃。

三、实验步骤

1．实验开始时，先开通锅炉加热器开关，等待蒸汽压力达到设定的0.05MPa，打开放气阀及冷凝水排出阀使套管中空气及积聚的冷凝水排净。放气阀在整个实验过程中，稍稍开启，以便不凝性气体能连续排出，不致积累。然后，打开气泵，通空气，并保持旁路始终开通，避免气泵因憋气过热而烧坏。

2．调节空气的流量，从低流速开始，做8个点，每点测量时必须待流速稳定，加热蒸汽压强

维持稳定，空气出口温度不变后，才可记录数据。需记录的数据包括：空气的流量和进、出口温度。

3．实验完毕后，关闭气泵，关闭加热电源。

四、数据处理与讨论

1．总传热系数K的测定

本实验所用的装置为不锈钢管，相应的数据处理如下：

不锈钢管外表面积So=0.0734m2 内管横截面积1.947310-4 m2 蒸汽温度T=110.4℃

表1. 总传热系数的测定数据与处理结果

以第三组数据为例：

tm

Tt进Tt出ln

Tt进

Tt出



(110.432.5)(110.496.4)77.914

37.2C

110.432.577.9lnln110.496.414

平均温度tm=(32.5+96.4)/2=64.45C

查表，在此温度下空气的比热容为1.007kJ/(kgC) 在32.5C的进口温度下，密度为1.155kg/m3

若不对流量计读数进行校正，可采用如下计算方法

Q

6

1.1551.007103(96.432.5)123.9J/s 3600

K

Q123.9

45.4W/(m2K)

Stm0.073437.2

若对流量计进行温度校正，则需采用以下步骤

VsVs

206.20566.126

1.0211.702103m3/s 32.536001.[1**********]

Q1.7021031.1551.007103(96.432.5)126.5W

K

Q126.5

46.3W/(m2K)

Stm0.073437.246.345.4

100%1.98%

46.3

误差为

结果表明，K值随空气流量的增加而增大，其值接近空气侧的。 2．空气侧对流传热系数i的测定

本实验所用的装置为不锈钢管，相应的数据处理如下：

不锈钢管内表面积Si= 0.0544m2 内管横截面积1.947310-4 m2 蒸汽温度T=109.4℃ 46℃时空气的密度=1.107kg/m3 70℃时空气的比热容Cp=1.009kJ/(kgC)

表2. 对流传热系数的测定数据与处理结果

以第一组数据为例，其计算过程如下

Q

2

1.1071.009(96.950.4)0.02885kW 3600

tm

tw1t1tw2t2

lntw1t1tw2t2



(10450.4)(10496.9)

23.0C

10450.4ln

10496.9

Q0.02885103

i23.1W/(m2C)

Sitm0.054423.0

计算结果列于表1中，空气的i与平均流速u的关系绘于图2中的对数坐标中。由图中曲线可以看出，其斜率为0.87，接近Dittus-Boelter equation中的0.8。

比较表1和2中的总传热系数和对流传热系数，可以看出：K值与i值接近（因为不是同一次实验，K值比i值小）。原因在于水蒸气膜状冷凝的o值很大，在5000以上，与i值相比，其热阻可以忽略。

i (WmC)

-2o

图2. 实验测定空气侧对流传热系数i与管内平均流速u的关系

u (m/s)

五、思考题

1． 本实验要想提高K值应当增加哪一个管内的流体流量？

因为水蒸汽冷凝的对流传热系数要远大于空气的对流传热系数，而总热阻的大小总是决定于值最大的单步热阻，所以提高空气的流动速度可提高K的值。

2． 不锈钢管内壁的温度与哪一种流体的温度相接近？

多步串联传热过程中，每步的温差与该步的热阻成正比，内外侧对流传热的热阻比较，水蒸气冷凝的对流传热系数大，热阻小，所以该步的温差小，即内管壁的温度接近于水蒸汽的温度，这也与实验过程观测到的现象一致。

3. 转子流量计读数是否准确，如何校正？

转子流量计在出厂时是根据20C、101kPa下的空气进行标定的，实际情况与之不符时，需根据密度进行校正。校正公式为

Vs,g2Vs,g1



g1(fg2)



g2(fg1)g1

g2

4．不凝性气体对冷凝传热有何影响？

不凝性气体能严重降低冷凝传热系数，1%的不凝性气体可使i值减小50%。应及时排出不凝性气体，避免在蒸气腔内积累。

5. 空气侧的对流传热系数与空气平均流速成何关系？

在湍流强制对流的条件下，根据Dittus-Boelter equation，管内流动i与u0.8成线性关系。本实验测定结果与此相近。

总传热系数与对流传热系数的测定

一、实验目的

1．了解间壁式换热器的结构与操作原理； 2．学习测定套管换热器总传热系数的方法； 3．学习测定空气侧的对流传热系数；

4．了解空气流速的变化对总传热系数的影响。

二、实验原理

本实验采用套管式换热器，热流体走管间，为蒸汽冷凝，冷流体走内管，为空气。该传热过程由水蒸气到不锈钢管外管壁的对流传热、从外管壁到内管壁的传导传热、内管壁到冷水的对流传热三个串联步骤组成。

实验流程如图1所示。

图1. 传热实验装置流程图

7-旋塞 8-空气进口温度计 9-空气出口温度计 10-不凝气排放口

1-空气流量调节阀 2-转子流量计 3-蒸汽调节阀 4-蒸汽压力表 5-套管换热器 6-冷凝水排放筒

套管换热器5由不锈钢管（或紫铜管）内管和无缝钢外管组成。内管的进出口端各装有热电阻温度计一支，用于测量空气的进出口温度。内管的进、出口端及中间截面外壁表面上，各焊有三对热电偶，型号为WRNK-192。

不锈钢管规格21.252.75，长1.10米 S=doL=0.0734m2 紫铜管162，长1.20米 S=doL=0.0603m2 转子流量计（空气，0~20m3/h，20℃） 数字显示表SWP-C40

此设备的总传热系数可由下式计算：

K

Tt进Tt出Q

其中 tm

Tt进Stm

ln

Tt出

式中：Q——传热速率，W；

S——传热面积，m2；S=doL

tm——对数平均温度差，℃

T——饱和蒸汽温度，℃，根据饱和蒸汽压力查表求得；

t进、t出——分别为空气进、出口温度，℃。

通过套管换热器间壁的传热速率，即空气通过换热器被加热的速率，用下式求得：

Qmscpt出t进， W

其中，Cp应取进、出口平均温度下空气的比热容。W=Vs，其中为进口温度下空气的密度。 对流传热系数的计算公式为

QStm

式中

S─内管的内表面积，m2；

─空气侧的对流传热系数，W/(m2C)； tm─空气与管壁的对数平均温度差，C。 tm

tw1t1tw2t2

ttlnw11

tw2t2

所得到的值可以仿照Dittus-Boelter equation进行关联：

Nu

式中

idi

0.023Re0.8Pr0.4 

diu

Re─Reynolds number雷诺准数，Re



Cp

Pr─Prandtl number普朗特准数，Pr



空气的物性参数应取进、出口平均温度下的值。

实验过程中，蒸汽阀门和冷凝水排放阀都应保持开通，避免冷凝水在器内积存。

空气的流量Vs由转子流量计测得，单位为体积流量m3/h。当通过转子流量计的空气温度不是20℃是，需根据密度变化进行流量校正。若转化为质量流量，需根据通过转子流量计的空气的温度查表得到水的密度，此温度即空气入口处温度。

实验过程中，锅炉内的水蒸气压力由控温仪自动控制在0.05（0.04）MPa，此压力为表压力，水蒸气的温度应由其绝对压力查表得到。在此，水蒸气温度为110.4（109.4）℃。

三、实验步骤

1．实验开始时，先开通锅炉加热器开关，等待蒸汽压力达到设定的0.05MPa，打开放气阀及冷凝水排出阀使套管中空气及积聚的冷凝水排净。放气阀在整个实验过程中，稍稍开启，以便不凝性气体能连续排出，不致积累。然后，打开气泵，通空气，并保持旁路始终开通，避免气泵因憋气过热而烧坏。

2．调节空气的流量，从低流速开始，做8个点，每点测量时必须待流速稳定，加热蒸汽压强

维持稳定，空气出口温度不变后，才可记录数据。需记录的数据包括：空气的流量和进、出口温度。

3．实验完毕后，关闭气泵，关闭加热电源。

四、数据处理与讨论

1．总传热系数K的测定

本实验所用的装置为不锈钢管，相应的数据处理如下：

不锈钢管外表面积So=0.0734m2 内管横截面积1.947310-4 m2 蒸汽温度T=110.4℃

表1. 总传热系数的测定数据与处理结果

以第三组数据为例：

tm

Tt进Tt出ln

Tt进

Tt出



(110.432.5)(110.496.4)77.914

37.2C

110.432.577.9lnln110.496.414

平均温度tm=(32.5+96.4)/2=64.45C

查表，在此温度下空气的比热容为1.007kJ/(kgC) 在32.5C的进口温度下，密度为1.155kg/m3

若不对流量计读数进行校正，可采用如下计算方法

Q

6

1.1551.007103(96.432.5)123.9J/s 3600

K

Q123.9

45.4W/(m2K)

Stm0.073437.2

若对流量计进行温度校正，则需采用以下步骤

VsVs

206.20566.126

1.0211.702103m3/s 32.536001.[1**********]

Q1.7021031.1551.007103(96.432.5)126.5W

K

Q126.5

46.3W/(m2K)

Stm0.073437.246.345.4

100%1.98%

46.3

误差为

结果表明，K值随空气流量的增加而增大，其值接近空气侧的。 2．空气侧对流传热系数i的测定

本实验所用的装置为不锈钢管，相应的数据处理如下：

不锈钢管内表面积Si= 0.0544m2 内管横截面积1.947310-4 m2 蒸汽温度T=109.4℃ 46℃时空气的密度=1.107kg/m3 70℃时空气的比热容Cp=1.009kJ/(kgC)

表2. 对流传热系数的测定数据与处理结果

以第一组数据为例，其计算过程如下

Q

2

1.1071.009(96.950.4)0.02885kW 3600

tm

tw1t1tw2t2

lntw1t1tw2t2



(10450.4)(10496.9)

23.0C

10450.4ln

10496.9

Q0.02885103

i23.1W/(m2C)

Sitm0.054423.0

计算结果列于表1中，空气的i与平均流速u的关系绘于图2中的对数坐标中。由图中曲线可以看出，其斜率为0.87，接近Dittus-Boelter equation中的0.8。

比较表1和2中的总传热系数和对流传热系数，可以看出：K值与i值接近（因为不是同一次实验，K值比i值小）。原因在于水蒸气膜状冷凝的o值很大，在5000以上，与i值相比，其热阻可以忽略。

i (WmC)

-2o

图2. 实验测定空气侧对流传热系数i与管内平均流速u的关系

u (m/s)

五、思考题

1． 本实验要想提高K值应当增加哪一个管内的流体流量？

因为水蒸汽冷凝的对流传热系数要远大于空气的对流传热系数，而总热阻的大小总是决定于值最大的单步热阻，所以提高空气的流动速度可提高K的值。

2． 不锈钢管内壁的温度与哪一种流体的温度相接近？

多步串联传热过程中，每步的温差与该步的热阻成正比，内外侧对流传热的热阻比较，水蒸气冷凝的对流传热系数大，热阻小，所以该步的温差小，即内管壁的温度接近于水蒸汽的温度，这也与实验过程观测到的现象一致。

3. 转子流量计读数是否准确，如何校正？

转子流量计在出厂时是根据20C、101kPa下的空气进行标定的，实际情况与之不符时，需根据密度进行校正。校正公式为

Vs,g2Vs,g1



g1(fg2)



g2(fg1)g1

g2

4．不凝性气体对冷凝传热有何影响？

不凝性气体能严重降低冷凝传热系数，1%的不凝性气体可使i值减小50%。应及时排出不凝性气体，避免在蒸气腔内积累。

5. 空气侧的对流传热系数与空气平均流速成何关系？

在湍流强制对流的条件下，根据Dittus-Boelter equation，管内流动i与u0.8成线性关系。本实验测定结果与此相近。