空气对流传热系数
动物的寿命-人居环境整治方案
2023年2月21日发(作者：心理健康教育工作计划)化工原理实验报告
实验名称：对流给热系数测定实验
学院：化学工程学院
专业：化学工程与工艺
班级：化工班
姓名：
学号：
同组者姓名：
指导教师：
日期：
一、实验目的
1.观看水蒸气在换热管外壁上的冷凝现象，并判定冷凝类型；
2.测定空气在圆直管内强制对流给热系数
i
；
3.应用线性回归分析方式，确信关联式Nu=中常数A、m的值。
4.把握热电阻测温的方式。
二、实验原理
在套管换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以空气，水蒸气冷凝放热以加热空气，
在传热进程达到稳固后，有如下关系式：
VρC
P
(t
2
－t
1
)＝α
i
A
i
(t
w
－t)
m
（1-1）
式中：V——被加热流体体积流量，m3/s；
ρ——被加热流体密度，kg/m3；
C
P
——被加热流体平均比热，J/(kg·℃)；
α
i
——流体对内管内壁的对流给热系数，W/(m2·℃)；
t
1
、t
2
——被加热流体进、出口温度，℃；
A
i
——内管的外壁、内壁的传热面积，m2；
(T－T
W
)m——水蒸气与外壁间的对数平均温度差，℃；
22
11
2211
ln
)()(
)(
w
w
ww
m
TT
TT
TTTT
TwT
（1-2）
(t
w
－t)
m
——内壁与流体间的对数平均温度差，℃；
2
2
1
1
2
2
1
1
ln
)()(
)(
tt
tt
tttt
tt
w
w
ww
mw
（1-3）
式中：T
1
、T
2
——蒸汽进、出口温度，℃；
T
w1
、T
w2
、t
w1
、t
w2
——外壁和内壁上进、出口温度，℃。
当内管材料导热性能专门好，即λ值专门大，且管壁厚度很薄时，能够为T
w1
＝t
w1
，
T
w2
＝t
w2
，即为所测得的该点的壁温。
由式（1-3）可得：
（1-4）
假设能测得被加热流体的V、t
1
、t
2
，内管的换热面积A
i
，和水蒸气温度T，壁温T
w1
、
T
w2
，那么可通过式（1-4）算得实测的流体在管内的（平均）对流给热系数α
i
。
1．流体在直管内强制对流时的给热系数，可按以下半体会公式求得：
湍流时：
4.08.0PrRe023.0
i
i
d
（1-5）
式中：α
i
——流体在直管内强制对流时的给热系数，W/(m2·℃)；
λ——流体的导热系数，W/(m2·℃)；
d
i
——内管内径，m；
Re——流体在管内的雷诺数，无因次；
Pr——流体的普朗特数，无因次。
上式中，定性温度均为流体的平均温度，即t
f
=(t
1
+t
2
)/2。
过渡流时：
α
i
’＝φα
i
（1-6）
式中：
修正系数，
8.1
5
Re
106
1
⒉对流传热系数准数关联式的实验确信
流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为
n
i
m
ii
ANuPrRe
（1-7）
其中：
i
ii
i
d
Nu
，
i
iii
i
du
Re
，
i
ipi
i
c
Pr
物性数据λ
i
、c
pi
、ρ
i
、μ
i
可依照定性温度t
f
查得。通过计算可知，关于管内被加热的空
气，普兰特准数Pr
i
转变不大，能够以为是常数，那么关联式的形式简化为：
4.0PrRe
i
m
ii
ANu
（1-8）
如此通过实验确信不同流量下的Re
i
与
i
Nu，然后用线性回归方式确信A和m的值。
三、实验装置流程示意图
1、实验装置
实验装置如图1a所示，实验装置工作流程如图1b所示。
图1a传热系数测定实验装置图
来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器，与来自风机的空气进行热互换，冷凝水经阀门排入
地沟。空气经孔板流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热互换后排出装置外。
图1b传热系数测定装置工作流程图
1风机2孔板流量计3阀门4空气入口温度计5，6蒸汽入口温度计7空气出口温度计8套管换热器9，14
蒸汽入口操纵阀10蒸汽冷凝液出口11，12不凝气排空阀13蒸汽冷凝液排出阀15实验蒸汽压力表16空气
旁路阀
2、仪表箱面板如图2所示
图2仪表箱面板图
1-总电源指示灯2-空气开关3-仪表电源指示灯4-仪表电源开关5-风机电源指示灯6-风机电源开关7-温度巡检仪
第一通道为流体入口温度，第二通道为流体出口温度，第三通道为左端蒸气温度，第四通道为右端蒸气温度
3、设备与仪表规格
（1）紫铜管规格：直径φ20×，长度L=1000mm
（2）外衣玻璃管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm
（3）压力表规格：0～
四、实验步骤
一、实验步骤
a、蒸气发生器加水，加热，把蒸气加热到。
b、打开总电源空气开关，打开仪表及巡检仪电源开关，给仪表上电。
c、打开仪表台上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体入口阀门。
d、打开冷凝水出口阀，注意只开必然的开度，开的太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，
关的过小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。
e、在做实验前，应打开冷凝水排水阀将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排
除，不然夹带冷凝水的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。具体排除冷凝水的方式是：关闭
蒸汽入口阀门，打开装置下面的排冷凝水阀门，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听
到蒸汽响时关闭冷凝水排除阀，可进行实验。
f、刚开始通入蒸汽时，要认真调剂蒸汽入口阀的阀门大小开度，让蒸汽缓缓流入换热
器中，慢慢加热，由“冷态”转变成“热态”，不得少于10分钟，以避免玻璃管因突然受热、
受压而爆裂。
g、当一切预备好后，调剂蒸汽入口阀的开度，把蒸汽压力调到，并维持蒸汽压力不
变。（可通过调剂排不凝性气体阀和蒸汽入口阀配合来实现。）
h、流量调剂：
本实验采纳变频器操纵流量，运行“对流给热系数测定实验”，打开该组实验数据，设
定流量。（也可通过调剂空气的入口阀手动调剂空气流流量，改变冷流体的流量到必然值。）
i、等稳固跋文录实验数据，记录包括时刻、温度、空气流量。
记录3到8组实验数据，完成实验，关闭蒸汽入口阀与冷流体入口阀，关闭仪表电源
和风机的电源。
j、关闭蒸汽发生器。
二、注意事项
a、先打开排冷凝水的阀，注意只开必然的开度，开的太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，
关的过小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。
b、必然要在套管换热器内管输以必然量的冷流体后，方可开启蒸汽阀门，且必需在
排除蒸汽管线上原先积存的凝结水后，方可把蒸汽通入套管换热器中。
c、刚开始通入蒸汽时，要认真调剂蒸汽的开度，让蒸汽缓缓流入换热器中，慢慢加热，
由“冷态”转变成“热态”，不得少于10分钟，以避免玻璃管因突然受热、受压而爆裂。
d、操作进程中，蒸汽压力一样操纵在（表压）以下，不然可能造成玻璃管爆裂和填
料损坏。
e、确信各参数时，必需是在稳固传热状态下，随时注意惰气的排空和压力表读数的调整。
五、实验注意事项
a、先打开排冷凝水的阀，注意只开必然的开度，开的太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，
关的过小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。
b、必然要在套管换热器内管输以必然量的冷流体后，方可开启蒸汽阀门，且必需在
排除蒸汽管线上原先积存的凝结水后，方可把蒸汽通入套管换热器中。
c、刚开始通入蒸汽时，要认真调剂蒸汽的开度，让蒸汽缓缓流入换热器中，慢慢加热，
由“冷态”转变成“热态”，不得少于10分钟，以避免玻璃管因突然受热、受压而爆裂。
d、操作进程中，蒸汽压力一样操纵在（表压）以下，不然可能造成玻璃管爆裂和填
料损坏。
e、确信各参数时，必需是在稳固传热状态下，随时注意惰气的排空和压力表读数的调
整。
六、原始实验数据（附页，需指导教师签字）
七、数据处置
实验蒸汽压力：
冷空气流量V
m3/h
冷空气进口温
度t
1
/℃
冷空气出口温度
t
2
/℃
蒸汽一端
温度tw1/℃
蒸汽二端
温度tw2/℃
12
15
18
21
101．7
24
27
1.测定空气在圆直管内强制对流给热系数αi:
以第一组数据为例：定性温度T
f
=（t1+t2）/2=℃
查《化工原理上册》可得：50℃时，ρ=kg/m3，C
P
=×103J/(kg℃)
60℃时，ρ=1.060kg/m3，C
P
=×103J/(kg℃)
由内插法可得：℃时，ρ=kg/m3C
P
=×103J/(kg℃)
V=15m3/h=15/3600=×10-3m3/s
紫铜管直径φ20×，那么Ai=l×π×d
m
=1××（）×10-3=
冷空气流
量Vm3/h
冷空气流量
V＇×10-3/m3/s
定性温度T
f
℃
密度ρ/kg/
m3
比热容C
P
kJ/(kg℃)
(tw-t)
m
/℃
αi
W/(m2·℃)
12
15
18
21
24
27
由上表可知，随冷空气流量的增大，αi增大。
2.确信关联式4.0PrRe
i
m
ii
ANu
中常数A、m的值
以第二组数据为例：定性温度T
f
=（t
1
+t
2
）/2=℃
查《化工原理上册》可得：50℃时，λ=×10-2W/(m·℃
60℃时，λ=×10-2W/(m·℃)
由内插法可得℃时，λ=×10-2W/(m·℃)
Nu
i
=α
i
×d
i
/λ
i
=×17×10-3/×10-2=
V=15m3/h=15/3600=×10-3m3/s
V=1/4×π×d
i
2×u
i
，可得u
i
=m/s
冷空气流
量Vm3/h
Νu
i
u
i
m/sRePr
12×104
15×104
18×104
21×104
24×104
27×104
Re>104，故符合强制对流
lg(Νu/lgRe
依照以上表格用origin对lg(Νu/~lgRe作图
在线上取点：（,）；（，）
K
(斜率)
=,d
(截距)
=
lg(Νu/=mlgRe+lgA
因此，m=；A==。
八、实验结果分析与讨论
实验结果理想，A的误差略大，误差缘故分析如下：
1、课表数据表中只有50℃，60℃时空气的物性数据，实验中空气的定性温度在54~62之
间，采纳内插法取了54~62℃的物性参数，使得计算所得数据有所误差。
2、在实验进程中，蒸汽压力需要手动调剂，使得压力稳固性不够好，使得所得数据不够
准确。实验中，程序犯错，致使V=30m3/h无法取得，改成V=12m3//h，其测得的数据
误差较大。
3、计算进程中，小数点后数据的取舍，也会阻碍最终的实验数据的精准程度。
实验仪器本身存在着不可幸免的系统误差。
九、试探题解答
1）实验中空气和水蒸汽的流向对传热成效有何阻碍?
答：实验中空气和水蒸汽的流向对传热成效无阻碍。因为Q=αA△tm，由于蒸汽的温
度不变，故△tm不变，而α和A不受冷流体和蒸汽的流向的阻碍，因此传热成效不
变。
（2）蒸汽冷凝进程中，假设存在不冷凝气体，对传热有何阻碍？应采取什么方法？
答：蒸汽冷凝进程中，假设存在不冷凝气体，会显现不凝性气体会滞留在冷凝器的
上部管路内，致使实际冷凝面积减小，冷凝负荷增大，冷凝压力升高，从而制冷量
会降低。会引发机械损坏的现象。
应该采取的方法：应打开不凝气排空阀。
（3）实验进程中，冷凝水不及时排走，会产生什么阻碍？如何及时排走冷凝水？
答：冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了一项热阻，降低了传热速度。
在外管最低处设置排水口，及时排走冷凝水。
（4）实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧仍是空气侧温度？什么缘故？
答：实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧，因为水蒸气的给热系数远大于空气的给
热系数。
（5）若是采纳不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何阻碍？
答：大体无阻碍。因为α∝(ρ2gλ3r/μd
0
△t)1/4，当蒸汽压强增加时，r和△t均增加，其它
参数不变，故α∝(ρ2gλ3r/μd
0
△t)1/4，转变不大，因此以为蒸汽压强对α关联式无阻碍。