传热膜系数的测定
一、 实验目的及任务
i. ii.
通过实验掌握传热膜系数α的测定方法，并分析影响α的因素；
掌握确定传热膜系数特征关联式中的系数A 和指数m 、n 的方法；用图解法
一点的函数值代入方程中得到系数A ，即
A =
N u
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，可以得到最佳的关联结果。应用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N u、R e、P r的数据组。
duρα1dcpμ
雷诺数：R e=；努塞尔数：N u=；普兰特常数：P r=
式中 d ―换热器内管内径，m ；
α1―空气传热膜系数，W/m2﹒℃； ρ―空气密度，kg/m3； λ―空气热导率，W/m﹒℃； cp―空气定压热容，J/kg﹒℃； μ―空气的粘度，Pa ﹒s 。
实验中改变空气流量仪改变R e 之值。根据定性温度计算对应的P r 数值。同时由
和线性回归法对αi 的实验数据处理，求关联式Nu =ARe m P r 0.4中常数A 、m 的值。 iii.
通过对管程内部插有螺旋形麻花铁的空气—水蒸气强化套管换热器的实验研
究，测定其特征数关联式Nu'=BRem 中常数B 、m 的值和强化比Nu'/ Nu，了解强化传热的基本理论和基本方式。 iv.
测定5-6个不同流速下套管换热器的管内压降Δp 。并在同一坐标系下绘制普
通管Δp 1- Nu 与强化管Δp 2- Nu' 的关系曲线。比较实验结果。 v.
学会测温热电偶的工作原理、使用方法。
二、 基本原理
1) 套管式传热膜系数的测定
对流传热的核心问题是求算传热膜系数α，当流体无相变化时对流传热特征数
关联式一般形式为：
Nu=ARemP rnG rp
对强制湍流，G r数可以忽略，Nu=ARemP rn
本实验中，可用图解法和最小二乘法两种方法计算特征数关联式中的指数m 、
n 和系数A 。
用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同的变量R e 和P r 分别回归。为
了便于计算n =0.4（流体加热）。两边取对数，得到直线方程：
N u
lg =lgA +mlgR e 在双对数坐标系中作图，找出直线斜率，即为方程的指数m 。在直线上任取
牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数α值，进而得到N u 。
因为空气传热膜系数α1远小于蒸汽传热膜系数α2，所以传热管内的对流传热
系数α1约等于冷热流体间的总传热系数K ，即α1≈K，则有
牛顿冷却定律：Q =α1A Δt m=πα1dlΔt m 式中 A ―总传热面积，m 2（内管内表面积）；
Δt m―管内外流体的平均温差，℃ t2−t1
Δt m=
ln 1
1-6
其中： Δt 1=T −t 1，Δt 2=T −t 2
然，强化比N u'/ Nu >1，而且它的值越大，强化效果越好。 三、 实验装置与流程
T ―蒸汽侧的温度，可近似用传热管的外壁面平均温度T ω 表示。
传热量Q 可由下式求得：
Q =Wcp t2−t1 3600
=ρV scp t2−t1 /3600
式中 W ―空气质量流量，kg/h；
cp―空气定压热容，J/kg﹒℃； t 1，t 2―空气进、出口温度，℃； ρ―定性温度下空气密度，kg/m3； Vs ―流体体积流量，m 3/h。
空气体积流量由孔板流量计测得，气流量Vs 与孔板流量计压降Δp 的关系为：
V s=26.2Δp0.54
Δp ―孔板流量计压降，kPa 。
2)
管内强化传热系数的测定
强化传热被学术界称为第二代传热技术，它能减小设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。强化传热的方法有很多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋形麻花铁的方法来强化传热的。在近壁区域，流体一面由于螺旋形麻花铁的作用而发生旋转，一面还周期性的受到螺旋形金属的扰动，因而可以使传热强化。
强化传热时N u' =BRe m ，其中B 、m 的值因螺旋形麻花铁的尺寸不同而不同。同样可用线性回归方法确定B 和m 的值。单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判标准，即强化管的N u' 与普通管的N u 的比。显
2-6
1) 实验装置
实验装置流程图如图1所示。
图1 空气-水蒸气传热实验装置流程图
虚线框内为加麻花铁后的强化传热过程。 2) 流程说明
本装置流程如图所示，空气走内管，蒸汽走环隙（玻璃管）。内管为黄铜管，
冷空气由风机输送，经孔板流量计计量后，进入换热器E01（E02）内管，并与套管环隙中蒸汽换热。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M01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。放空阀门用于排放不凝性气体。在铜管之前有一定长度的稳定段，是为消除端效应。铜管两端用塑料管与管路相连，用于消除热效应。 3) 装置参数如表1所示。
高，则水会溢入蒸汽套管；过低，则可能烧坏加热器。
iii. 打开总电源开关（红色按钮熄灭，绿色按钮亮，以下同）。
iv. 实验开始时，关闭蒸汽发生器补水阀，接通蒸汽发生器的加热电源，约10min 后，启动风机，并打开放气阀。
v.
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，最低不应小于0.1kPa 。实验中要合理取点，以保证数据点均匀。
vi. 将空气流量控制在某一值。待仪表稳定后，记录数据；切记每改变一个流量后，应等到读数稳定后再测数据，改变空气流量（8-10次），重复实验，记录数据（注意：第一个数据点必须稳定足够长的时间）。 vii. 最小、最大流量值一定要做。
viii. 装换内容，进行强化套管换热器的实验，测定8-10组实验数据。
ix. 实验结束，先停蒸汽发生器电源，过5min 后关闭风机，并将旁路阀全开，清理装置。
x. 切断总电源。
五、 实验数据记录与处理
四、 实验步骤
i. 实验开始前，先弄清配电箱上各按钮与设备对应关系，以便正确开启按钮。 ii. 检查蒸汽发生器中水位，务必使蒸汽发生器液位保持在1/2-2/3的高度，液位过
3-6
强化传热
普通传热
（ρ=1.097kg/m3 c p =1.016 kJ/kg·℃ μ=1.9600×10-5Pa·s λ=2.823×10-2W/m·℃） （管内径d =0.02m 管长l =1.25m）
序号2： 空气流量Vs
V s=26.2Δp0.54=26.2×0.460.54=17.2 (m3/h)
传热量Q
Wcp t2−t1 ρV scp t2−t1
Q ==
1.097×17.2×1.016×1000× 69.90−37.40 =
=173.33 (J)
蒸汽侧的温度T
T=Average（T w1，T w2）=100.8℃
管内外流体的平均温差Δt m
4-6
数据处理： 普通传热
Δt tm=
t2−1ln =69.90−37.40
=45.27 (2
ln ℃) 空气传热膜系数α
α=Q173.33
==48.778
m雷诺数Re R e=
duρ0.02×1.097×μ=17.2
1.9600×10×3600
=17058.425 努塞尔数Nu N u=
αd=48.778×0.02=34.557 普兰特常数Pr
r=cpμ1.016×1000×1.9600×10−3
P ==0.702
图1. 特征关联方程曲线
以lgRe 为横坐标，lg Nu /Pr 0.4为纵坐标，对其进行线性拟合求得 普通传热：A=10-1.577=0.0265 ；m=0.7654 则
αdλ=0.0265 duρ0.7654μ
Pr 0.4
强化传热：A=10-1.43168=0.037 ；m=0.7654
αdλ=0.037 duρ0.7654μ
Pr 0.4
图2. Δp~Nu的关系曲线
由曲线可知：相同压降下，强化传热的努赛尔数Nu 较普通传热的努赛尔数Nu 数大，即传热比Nu' /Nu>1。
5-6
六、实验结果分析与讨论 A. 结果分析
1. 从图中可以看出，在相同雷诺数下，加麻花铁后的Nu/Pr0.4的值比未加麻花铁
时的大，说明增大流体的湍流程度可以强化传热。
2. 加入麻花铁后，空气出口温度明显变高，但孔板压降则迅速降低，说明强化传
热的代价是流体阻力的增加。 B. 思考题
1. 强化传热要以什么为代价?
答：由加入麻花铁后，空气出口温度明显变高，但孔板压降则迅速降低说明传热效果的提高是以增加流动阻力为代价的。
2. 冷凝下来的蒸汽为何要及时排除? 否则会导致什么后果?
答：冷凝下来的蒸汽会形成一层液膜，热量以导热的方式用过液膜，相当于增大了热阻，降低了传热效率。
3. 如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α式的关联有无影响?
答：没有影响。因为实验采用的时量纲分析法，蒸汽的压强变化会同时反应在雷诺数Re 、流量q v 、传热膜系数 、努赛尔数Nu 等数据上，可以得到不同Re 值下的Nu/Pr0.4值，所以仍然可以关联。 4. 本实验还可以采用哪些措施强化传热?
答：a. 增加总传热系数K
减小管径增大流速； 内管加填充物； 增加内管粗糙度；
及时排除空气等非凝性气体；
b ．增加传热面积A 内管采用波纹管； 内管加翅片。
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传热膜系数的测定
一、 实验目的及任务
i. ii.
通过实验掌握传热膜系数α的测定方法，并分析影响α的因素；
掌握确定传热膜系数特征关联式中的系数A 和指数m 、n 的方法；用图解法
一点的函数值代入方程中得到系数A ，即
A =
N u
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，可以得到最佳的关联结果。应用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N u、R e、P r的数据组。
duρα1dcpμ
雷诺数：R e=；努塞尔数：N u=；普兰特常数：P r=
式中 d ―换热器内管内径，m ；
α1―空气传热膜系数，W/m2﹒℃； ρ―空气密度，kg/m3； λ―空气热导率，W/m﹒℃； cp―空气定压热容，J/kg﹒℃； μ―空气的粘度，Pa ﹒s 。
实验中改变空气流量仪改变R e 之值。根据定性温度计算对应的P r 数值。同时由
和线性回归法对αi 的实验数据处理，求关联式Nu =ARe m P r 0.4中常数A 、m 的值。 iii.
通过对管程内部插有螺旋形麻花铁的空气—水蒸气强化套管换热器的实验研
究，测定其特征数关联式Nu'=BRem 中常数B 、m 的值和强化比Nu'/ Nu，了解强化传热的基本理论和基本方式。 iv.
测定5-6个不同流速下套管换热器的管内压降Δp 。并在同一坐标系下绘制普
通管Δp 1- Nu 与强化管Δp 2- Nu' 的关系曲线。比较实验结果。 v.
学会测温热电偶的工作原理、使用方法。
二、 基本原理
1) 套管式传热膜系数的测定
对流传热的核心问题是求算传热膜系数α，当流体无相变化时对流传热特征数
关联式一般形式为：
Nu=ARemP rnG rp
对强制湍流，G r数可以忽略，Nu=ARemP rn
本实验中，可用图解法和最小二乘法两种方法计算特征数关联式中的指数m 、
n 和系数A 。
用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同的变量R e 和P r 分别回归。为
了便于计算n =0.4（流体加热）。两边取对数，得到直线方程：
N u
lg =lgA +mlgR e 在双对数坐标系中作图，找出直线斜率，即为方程的指数m 。在直线上任取
牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数α值，进而得到N u 。
因为空气传热膜系数α1远小于蒸汽传热膜系数α2，所以传热管内的对流传热
系数α1约等于冷热流体间的总传热系数K ，即α1≈K，则有
牛顿冷却定律：Q =α1A Δt m=πα1dlΔt m 式中 A ―总传热面积，m 2（内管内表面积）；
Δt m―管内外流体的平均温差，℃ t2−t1
Δt m=
ln 1
1-6
其中： Δt 1=T −t 1，Δt 2=T −t 2
然，强化比N u'/ Nu >1，而且它的值越大，强化效果越好。 三、 实验装置与流程
T ―蒸汽侧的温度，可近似用传热管的外壁面平均温度T ω 表示。
传热量Q 可由下式求得：
Q =Wcp t2−t1 3600
=ρV scp t2−t1 /3600
式中 W ―空气质量流量，kg/h；
cp―空气定压热容，J/kg﹒℃； t 1，t 2―空气进、出口温度，℃； ρ―定性温度下空气密度，kg/m3； Vs ―流体体积流量，m 3/h。
空气体积流量由孔板流量计测得，气流量Vs 与孔板流量计压降Δp 的关系为：
V s=26.2Δp0.54
Δp ―孔板流量计压降，kPa 。
2)
管内强化传热系数的测定
强化传热被学术界称为第二代传热技术，它能减小设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。强化传热的方法有很多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋形麻花铁的方法来强化传热的。在近壁区域，流体一面由于螺旋形麻花铁的作用而发生旋转，一面还周期性的受到螺旋形金属的扰动，因而可以使传热强化。
强化传热时N u' =BRe m ，其中B 、m 的值因螺旋形麻花铁的尺寸不同而不同。同样可用线性回归方法确定B 和m 的值。单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判标准，即强化管的N u' 与普通管的N u 的比。显
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1) 实验装置
实验装置流程图如图1所示。
图1 空气-水蒸气传热实验装置流程图
虚线框内为加麻花铁后的强化传热过程。 2) 流程说明
本装置流程如图所示，空气走内管，蒸汽走环隙（玻璃管）。内管为黄铜管，
冷空气由风机输送，经孔板流量计计量后，进入换热器E01（E02）内管，并与套管环隙中蒸汽换热。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M01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。放空阀门用于排放不凝性气体。在铜管之前有一定长度的稳定段，是为消除端效应。铜管两端用塑料管与管路相连，用于消除热效应。 3) 装置参数如表1所示。
高，则水会溢入蒸汽套管；过低，则可能烧坏加热器。
iii. 打开总电源开关（红色按钮熄灭，绿色按钮亮，以下同）。
iv. 实验开始时，关闭蒸汽发生器补水阀，接通蒸汽发生器的加热电源，约10min 后，启动风机，并打开放气阀。
v.
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，最低不应小于0.1kPa 。实验中要合理取点，以保证数据点均匀。
vi. 将空气流量控制在某一值。待仪表稳定后，记录数据；切记每改变一个流量后，应等到读数稳定后再测数据，改变空气流量（8-10次），重复实验，记录数据（注意：第一个数据点必须稳定足够长的时间）。 vii. 最小、最大流量值一定要做。
viii. 装换内容，进行强化套管换热器的实验，测定8-10组实验数据。
ix. 实验结束，先停蒸汽发生器电源，过5min 后关闭风机，并将旁路阀全开，清理装置。
x. 切断总电源。
五、 实验数据记录与处理
四、 实验步骤
i. 实验开始前，先弄清配电箱上各按钮与设备对应关系，以便正确开启按钮。 ii. 检查蒸汽发生器中水位，务必使蒸汽发生器液位保持在1/2-2/3的高度，液位过
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强化传热
普通传热
（ρ=1.097kg/m3 c p =1.016 kJ/kg·℃ μ=1.9600×10-5Pa·s λ=2.823×10-2W/m·℃） （管内径d =0.02m 管长l =1.25m）
序号2： 空气流量Vs
V s=26.2Δp0.54=26.2×0.460.54=17.2 (m3/h)
传热量Q
Wcp t2−t1 ρV scp t2−t1
Q ==
1.097×17.2×1.016×1000× 69.90−37.40 =
=173.33 (J)
蒸汽侧的温度T
T=Average（T w1，T w2）=100.8℃
管内外流体的平均温差Δt m
4-6
数据处理： 普通传热
Δt tm=
t2−1ln =69.90−37.40
=45.27 (2
ln ℃) 空气传热膜系数α
α=Q173.33
==48.778
m雷诺数Re R e=
duρ0.02×1.097×μ=17.2
1.9600×10×3600
=17058.425 努塞尔数Nu N u=
αd=48.778×0.02=34.557 普兰特常数Pr
r=cpμ1.016×1000×1.9600×10−3
P ==0.702
图1. 特征关联方程曲线
以lgRe 为横坐标，lg Nu /Pr 0.4为纵坐标，对其进行线性拟合求得 普通传热：A=10-1.577=0.0265 ；m=0.7654 则
αdλ=0.0265 duρ0.7654μ
Pr 0.4
强化传热：A=10-1.43168=0.037 ；m=0.7654
αdλ=0.037 duρ0.7654μ
Pr 0.4
图2. Δp~Nu的关系曲线
由曲线可知：相同压降下，强化传热的努赛尔数Nu 较普通传热的努赛尔数Nu 数大，即传热比Nu' /Nu>1。
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六、实验结果分析与讨论 A. 结果分析
1. 从图中可以看出，在相同雷诺数下，加麻花铁后的Nu/Pr0.4的值比未加麻花铁
时的大，说明增大流体的湍流程度可以强化传热。
2. 加入麻花铁后，空气出口温度明显变高，但孔板压降则迅速降低，说明强化传
热的代价是流体阻力的增加。 B. 思考题
1. 强化传热要以什么为代价?
答：由加入麻花铁后，空气出口温度明显变高，但孔板压降则迅速降低说明传热效果的提高是以增加流动阻力为代价的。
2. 冷凝下来的蒸汽为何要及时排除? 否则会导致什么后果?
答：冷凝下来的蒸汽会形成一层液膜，热量以导热的方式用过液膜，相当于增大了热阻，降低了传热效率。
3. 如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α式的关联有无影响?
答：没有影响。因为实验采用的时量纲分析法，蒸汽的压强变化会同时反应在雷诺数Re 、流量q v 、传热膜系数 、努赛尔数Nu 等数据上，可以得到不同Re 值下的Nu/Pr0.4值，所以仍然可以关联。 4. 本实验还可以采用哪些措施强化传热?
答：a. 增加总传热系数K
减小管径增大流速； 内管加填充物； 增加内管粗糙度；
及时排除空气等非凝性气体；
b ．增加传热面积A 内管采用波纹管； 内管加翅片。
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