總傳熱系數與對流傳熱系數的測定
一、實驗目的
1．了解間壁式換熱器的結構與操作原理；
2．學習測定套管換熱器總傳熱系數的方法；
3．學習測定空氣側的對流傳熱系數；
4．了解空氣流速的變化對總傳熱系數的影響。
二、實驗原理
本實驗採用套管式換熱器，熱流體走管間，為蒸汽冷凝，冷流體走內管，為空氣。該傳熱過程由水蒸氣到不銹鋼管外管壁的對流傳熱、從外管壁到內管壁的傳導傳熱、內管壁到冷水的對流傳熱三個串聯步驟組成。
實驗流程如圖1所示。
圖1. 傳熱實驗裝置流程圖
1-空氣流量調節閥 2-轉子流量計 3-蒸汽調節閥 4-蒸汽壓力表 5-套管換熱器 6-冷凝水排放筒
7-旋塞 8-空氣進口溫度計 9-空氣出口溫度計 10-不凝氣排放口
套管換熱器5由不銹鋼管（或紫銅管）內管和無縫鋼外管組成。內管的進出口端各裝有熱電阻溫度計一支，用於測量空氣的進出口溫度。內管的進、出口端及中間截面外壁表面上，各焊有三對熱電偶，型號為wrnk-192。
不銹鋼管規格21.252.75，長1.10公尺 s=dol=0.0734m2
紫銅管162，長1.20公尺s=dol=0.0603m2
轉子流量計（空氣，0~20m3/h，20℃）
數字顯示表swp-c40
此裝置的總傳熱系數可由下式計算：
其中式中：——傳熱速率，w；
——傳熱面積，m2；s=dol
——對數平均溫度差，℃
——飽和蒸汽溫度，℃，根據飽和蒸汽壓力查表求得；
——分別為空氣進、出口溫度，℃。
通過套管換熱器間壁的傳熱速率，即空氣通過換熱器被加熱的速率，用下式求得：
， w其中，cp應取進、出口平均溫度下空氣的比熱容。w=vs，其中為進口溫度下空氣的密度。
對流傳熱系數的計算公式為
式中s─內管的內表面積，m2；
─空氣側的對流傳熱系數，w/(m2c)；
tm─空氣與管壁的對數平均溫度差，c。
所得到的值可以仿照dittus-boelter equation進行關聯：
式中re─reynolds number雷諾準數，
pr─prandtl number普朗特準數，
空氣的物性引數應取進、出口平均溫度下的值。
實驗過程中，蒸汽閥門和冷凝水排放閥都應保持開通，避免冷凝水在器內積存。
空氣的流量vs由轉子流量計測得，單位為體積流量m3/h。當通過轉子流量計的空氣溫度不是20℃是，需根據密度變化進行流量校正。若轉化為質量流量，需根據通過轉子流量計的空氣的溫度查表得到水的密度，此溫度即空氣入口處溫度。
實驗過程中，鍋爐內的水蒸氣壓力由控溫儀自動控制在0.05（0.04）mpa，此壓力為表壓力，水蒸氣的溫度應由其絕對壓力查表得到。
在此，水蒸氣溫度為110.4（109.4）℃。
三、實驗步驟
1．實驗開始時，先開通鍋爐加熱器開關，等待蒸汽壓力達到設定的0.05mpa，開啟放氣閥及冷凝水排出閥使套管中空氣及積聚的冷凝水排淨。放氣閥在整個實驗過程中，稍稍開啟，以便不凝性氣體能連續排出，不致積累。
然後，開啟氣幫浦，通空氣，並保持旁路始終開通，避免氣幫浦因憋氣過熱而燒壞。
2．調節空氣的流量，從低流速開始，做8個點，每點測量時必須待流速穩定，加熱蒸汽壓強維持穩定，空氣出口溫度不變後，才可記錄資料。需記錄的資料報括：空氣的流量和進、出口溫度。
3．實驗完畢後，關閉氣幫浦，關閉加熱電源。
四、資料處理與討論
1．總傳熱系數k的測定
本實驗所用的裝置為不銹鋼管，相應的資料處理如下：
不銹鋼管外表面積=0.0734m2 內管橫截面積1.947310-4 m2 蒸汽溫度t=110.4℃
表1. 總傳熱系數的測定資料與處理結果
以第三組資料為例：
平均溫度tm=(32.5+96.4)/2=64.45c
查表，在此溫度下空氣的比熱容為1.007kj/(kgc)
在32.5c的進口溫度下，密度為1.155kg/m3
若不對流量計讀數進行校正，可採用如下計算方法
若對流量計進行溫度校正，則需採用以下步驟
誤差為結果表明，k值隨空氣流量的增加而增大，其值接近空氣側的。
2．空氣側對流傳熱系數i的測定
本實驗所用的裝置為不銹鋼管，相應的資料處理如下：
不銹鋼管內表面積= 0.0544m2 內管橫截面積1.947310-4 m2 蒸汽溫度t=109.4℃
46℃時空氣的密度=1.107kg/m3 70℃時空氣的比熱容cp=1.009kj/(kgc)
表2. 對流傳熱系數的測定資料與處理結果
以第一組資料為例，其計算過程如下
計算結果列於表1中，空氣的i與平均流速u的關係繪於圖2中的對數座標中。由圖中曲線可以看出，其斜率為0.87，接近dittus-boelter equation中的0.8。
比較表1和2中的總傳熱系數和對流傳熱系數，可以看出：k值與i值接近（因為不是同一次實驗，k值比i值小）。原因在於水蒸氣膜狀冷凝的o值很大，在5000以上，與i值相比，其熱阻可以忽略。
圖2. 實驗測定空氣側對流傳熱系數i與管內平均流速u的關係
五、思考題
1． 本實驗要想提高k值應當增加哪乙個管內的流體流量？
因為水蒸汽冷凝的對流傳熱系數要遠大於空氣的對流傳熱系數，而總熱阻的大小總是決定於值最大的單步熱阻，所以提高空氣的流動速度可提高k的值。
2． 不銹鋼管內壁的溫度與哪一種流體的溫度相接近？
多步串聯傳熱過程中，每步的溫差與該步的熱阻成正比，內外側對流傳熱的熱阻比較，水蒸氣冷凝的對流傳熱系數大，熱阻小，所以該步的溫差小，即內管壁的溫度接近於水蒸汽的溫度，這也與實驗過程觀測到的現象一致。
3. 轉子流量計讀數是否準確，如何校正？
轉子流量計在出廠時是根據20c、101kpa下的空氣進行標定的，實際情況與之不符時，需根據密度進行校正。校正公式為
4．不凝性氣體對冷凝傳熱有何影響？
不凝性氣體能嚴重降低冷凝傳熱系數，1%的不凝性氣體可使i值減小50%。應及時排出不凝性氣體，避免在蒸氣腔內積累。
5. 空氣側的對流傳熱系數與空氣平均流速成何關係？
在湍流強制對流的條件下，根據dittus-boelter equation，管內流動i與u0.8成線性關係。本實驗測定結果與此相近。
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