传热综合实验
一、实验目的
1、熟悉传热实验的实验方案设计及流程设计。 2、了解换热器的基本构造与操作原理。 3、掌握热电偶的测温原理及使用方法。
4、掌握热量衡算与传热系数K 及对流传热膜系数α的测定方法。 5、应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARem Pr 0.4中常数A 、m 的值。 二、实验内容
1、测定8～10个不同流速下普通套管换热器的对流传热系数α。 2、对α的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=ARem Pr 0.4中常数A 、m 的值。
3、在双对数坐标系中绘制Nu/Pr0.4～Re 的关系图。 三、实验原理
普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定：
传热实验中冷流体采用空气，热流体采用水蒸汽。通过测取冷流体在换热器进出口的流量及冷热流体温度的变化来进行总传热系数K 、对流传热膜系数 与相关准数关系的测定。
传热实验考察冷热流体在套管式换热器中的传热过程，其理论基础是传热基本方程牛顿冷却定律及热量平衡关系。
由传热基本方程得：Q =K ⋅A ⋅∆t m
式中 K——传热系数 （m 2∙K ） A——换热器的传热面积 （m 2） ∆t m ——传热管两端的平均温度差 （K ） Q——传热量 （W ）
由上式可得K =Q A ∆t m ，由实验测定Q 、A 、∆t m 即可求得K 值。由传热系数K 亦可确定换热面内外两侧的对流传热膜系数。
对薄壁圆管（d o d i 小于2），传热系数K 与传热膜系数之间有如下关系：
111δ
=+++R do +R di K αo αi λ
2
式中 K——传热系数 （m K ） 2
αo ——加热管外壁面的对流传热膜系数 （m K ） 2
αi ——加热管内壁面的对流传热膜系数 （m K ）
δ——加热管壁厚 （m ） λ——加热管的导热系数 （w/m K）
R do ——加热管外壁面的污垢热阻 （m
2
2
⋅K w ）
R di ——加热管内壁面的污垢热阻 （m ⋅K w ）
实验室条件下考虑忽略污垢热阻，则
K =
11
αo
1 +
αi
若有αi 》αo ，则有K ≈αo ； 1、对流传热系数αo 的测定
αo =Q A ∆t m
式中 αo ——加热管外壁面的对流传热膜系数 （m 2K ）
Q ——管外传热速率 （W ） A ——管外换热面积为0.142 （m ）
∆t -∆t 2
∆t m =
∆t ∆t 1 平均温度差m 由下式确定：
ln ∆t 2
2
∆t 1=T1-t2
∆t 2=T2-t1
式中 T1、T2——热流体的进、出口温度 （K ）
t1、t2——冷流体的进、出口温度 （K ）
由传热衡算式得： Q O =Wo·Cpo ·（t2- t1） 其中质量流量Wo 由下式求得：
V o ∙ρWo =
3600
式中 V o ——冷流体在管中的平均体积流量(m/h)
Cpo ——冷流体的恒压比热(kJ/kg·℃)
ρ——冷流体的密度（kg/m3）
3
1+2t m =Cpo 和ρ可依据定性温度t m 查得: 2为冷流体的进、出口平
均温度。
2、对流传热系数准数关联式的实验确定
流体在管内作强制湍流、处于被冷却的状态，准数关联式的形式为： N uo =A·R eo ·P ro
m
n
o o
N uo =其中 o
Re =
u o ∙d o ∙ρ
o
P ro =
Cpo ∙μo
o
物性数据λo 、Cpo 、μo 可根据定性温度t m 查得。
对于管外被冷却的空气，普朗特准数Pr 变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式可简化为：
N uo =A · Reo m · Pro 0.4
lg uo =lgA+mlgReo P ro0.4
这样通过实验确定不同流量下的R eo 与N uo ，可以在双对数坐标上标绘出一条直线，即可求得A 和m 值，也可用线性回归方法确定A 和m 的值。 四、实验装置及流程
1、本实验共两套装置。各套设备的主要技术数据：
（1）套管换热：换热段长度为1000mm 换热面积为0.142m 2。换热器外部都包有保温层，并用不锈钢皮包好，外表美观，可以减少实验的热损失，也可以防止实验者的意外烫伤。
（2）热流体通过的紫铜管为φ25×1mm，长为1000mm 。冷流体通过的不锈钢管为φ57×2mm。
（3）蒸发器为不锈钢制成，最大加热功率为2KW 。其上装有液位计，正常液位要维持在2/3处，最多加至液位计所能指示的范围最高处。必要时加水，以免电热管干烧（加水时需注意水位超过液位计指示时仍往蒸发
器内加水，液位计将无法显示液位）。其表面也包有保温层。
（4）风机为旋涡风机，输入功率为750W ，转速为2800/min，风压为11.7KPa ，风量为90m 3/h。
（5）温度仪表：本装置上配置一块温度控制仪表，用于控制蒸发器温度；温度显示模块可以直接显示所对应各点的温度。
（6）风量测量：转子流量计，测量范围：6-60m 3/h。
（7）柜体在其面板可以控制整个实验的全过程。仪表开关下部都有对应的标识。
（8）开关、指示灯 按下开关指示灯亮表明对应的工作正在运行，关闭时则按开关上箭头的方向旋转即可。 2、实验装置流程
1. 蒸汽发生器； 2. 风机； 3. 6-60m3/h气体流量计； 4. 套管换热器；
5. 压力表； F1-闸阀； F3-闸阀； F4-球阀
图1 传热综合实验流程图
实验装置流程如图1所示。本实验装置主要由套管换热器、蒸发器、风机、气体流量计、压力表、安全阀、智能温控仪表、压力显示、流量显示、柜体、开关指示灯等组成。主体是套管换热器，内管为光滑管，紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。蒸汽发生器为电加热釜，内有一根螺旋形电加热器，用200V 电压加热。气源选择HG-750(JX7132)型的旋涡风机，使用旁路调节阀调节流量。
管程蒸汽由蒸汽发生器自然上升，空气逆流进入换热器壳程，达到逆流换热的效果。 五、实验方法及步骤
1、实验前的准备、检查工作。
（1）检查电源连接是否正确，风机、加热装置工作是否正常，设备密封是否良好。
（2）检查热电偶接触是否良好，看热电偶插入处有无脱落。 （3）检查蒸汽发生器内水位是否符合要求，必要时加水。以免热管烧坏。
（4）将蒸汽发生器的蒸汽调节阀6打开，向电加热釜加水至液位计上3/4～2/3处，然后将蒸汽调节阀关闭。
（5）检查空气流量旁路调节阀是否全开。 （6）保证蒸汽和空气管线的畅通。
（7）启动电源开关后，电源指示灯亮；打开蒸汽发生器加热开关。将蒸汽发生器加热温度仪表设定至130℃，然后调节电流表旋钮，顺时针旋转，电流表显示数值将逐步加大；大约85摄氏度左右时把两个调节旋钮调小一点（防止热惯性所造成的温度不稳定现象）。温度显示到100℃左右即
可开始实验。 2、实验开始
（1）过一段时间后蒸汽发生器的水沸腾，加水口有蒸汽冒出，关闭加水口。发生器内压力升高，待压力稳定并且不超过0.1MPa 时，慢慢打开蒸汽调节阀，开度不要太大，然后打开风机开关，保证实验开始时空气入口温度t1比较稳定。
（2）调节空气流量旁路阀的开度，使其达到需要测定的流量值进行传热实验。开大阀门则增加冷流体进料量，调小反之。（当旁路阀全开时，通过传热管的空气流量为所需的最小值，全关时为最大值）。
（3）读取实验数据时应待操作稳定后2～3min 后才开始进行，一组实验数据应连续进行测定，两组数据间应有一定的稳定时间，每组实验数据的测温点应始终保持不变，以减少系统误差。（注意：每一个数据点必须稳定足够的时间）。
（4）重复（2）和（3），共做8～10个空气流量值。从小到大测量8～10个空气流量值，再从大到小测量8～10个空气流量值，然后取平均值。
（5）最小、最大流量值一定要做。
（6）整个实验过程中，加热电压可以保持（调节）不变，也可随空气流量的变化作适当的调节。 3、实验结束
（1）关闭加热器开关，将电流表调至零，停止加热。
（2）将旁路阀开关调至流量值较大侧，风机继续工作一段时间后，关闭风机开关。
（3）待蒸汽发生器的温度降至50度以下，切断电源，结束实验。
六、注意事项
1、蒸发器加水一般加到液位计的2/3即可，假若水位超过了此高度，那么不管再加多少水液位计的指示都不会改变。液位最少时也不能低于蒸汽发生器的1/2否则电热管极易烧坏！特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。
2、实验操作时应注意安全，不能开蒸发器上灌水阀门，防止热气冲出烫伤。
3、测量时应逐步加大气相流量，记录数据。否则实验数值误差较大。 七、报告内容
1、测定有关数据并进行数据处理，整理出相关经验公式，绘出相应实验图表及曲线。
2、将实验原始数据和数据整理结果列在表格中，并以其中一组数据为例写出计算过程。
3、根据实验结果对测定的K 、 值进行分析讨论。 4、在双对数坐标系中绘制Nu/Pr0.4～Re 的关系图。 5、对实验结果进行分析与讨论。 八、思考题
1、在实验过程中，为什么热流体出口温度有可能高于蒸汽温度？ 2、蒸汽温度显示90℃左右时蒸发器内的水是否已经沸腾，为什么？
传热综合实验原始数据记录表
装置编号：
姓 名：_______________________________________________
同 组 人：_______________________________________________
指导教师：_______________________________________________
实验日期：_______________________________________________