化工原理实验 总传热系数与热损失 制作：谢少雄
一、实验目的 1、测定空气在园直管内强制对流给热系数； 2、测定蒸汽在水平管外冷凝给热系数； 3、测定总传热系数； 4、学会运用实验方法建立经验公式或半经验公式，分别建立空气在圆形光滑直管中和螺旋槽管中作湍流流动时对流传热准数关联式。验证流体在圆管内强制湍流时传热准数关联式。
二、基本原理 在套管换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以空气或水，水蒸气冷凝放热以加热空气，在传热过程达到稳定后，有如下公式：
V—被加热流体体积流量，m3/s A0、Ai——内管的外壁、内壁的传热面积，m2 ρ—被加热流体密度，kg/m3 (T-TW)m——水蒸气与外壁间的对数平均温度差，℃ CP—被加热流体平均比热，J/(kg℃) (tw-t)m——内壁与流体间的对数平均温度差，℃ α0、αi—水蒸气对内管外壁的对流给热系数和流体对内管内壁的对流给热系数W/(m2℃) t1、t2—被加热流体进、出口温度，℃
Tw1、Tw2、tw1、tw2——外壁和内壁上进、出口温度，℃ 式中： t1、t2—被加热流体进、出口温度，℃ T1、T2——蒸汽进、出口温度，℃ Tw1、Tw2、tw1、tw2——外壁和内壁上进、出口温度，℃
在实验中，蒸汽温度可认为T1=T2=T，当内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度很薄时，可认为Tw1＝tw1=Tw2＝tw2=tw，tw即为所测得的该点的壁温。
1、蒸汽在水平管外冷凝给热系数： 式中： ----空气在流量计前方的压力、温度下的密度，kg/m3，可按理想气体定律计算： Pa-----大气压强，Pa； P ----流量计前端空气表压，Pa； T ----流量计前端空气温度，℃，可取t=t1；
2、空气在园直管内强制对流给热系数 3、总传热系数K的测定
4、气体在圆管内作强制湍流给热准数关联式的确定 单相流体在圆形直管内作强制湍流时的给热系数，可用下列准数关联式描述： 式中：Re—流体在管内的雷诺数，无因次 系数C和指数m为待定参数，可通过实验方法确定。将式两边取对数: 可见lnNu与lnRe为线性关系。
在实验中，如果我们改变流速以改变雷诺准数Re值，并根据牛顿冷却定律求出不同流速下的给热系数和努塞尔特准数Nu。 式中：-----空气在定性温度下的粘度，Pas； -----空气在定性温度下的导热系数，W/(m℃)。
在取得各次的Re和Nu实验数据后，便可用图解法或最小二乘法确定参数，从而把实验数据整理成准数关联式。 以Nu为纵坐标，Re为横坐标在双对数坐标纸上绘图，可得一条直线，该直线的斜率为m，截距的真数为C
三、实验装置 1-风机；2-冷凝水阀；3-蒸汽阀；4-分流阀；5-孔板流量计；6-测压孔；7-疏水器；8-热电偶；9-调节阀；10-疏水阀；11-螺纹管；12-放气阀；13-光滑管；14-安全阀；15，16-热电偶
实验装置由两套换热器组成，一套为光滑圆铜管，一套为螺旋槽管。 冷空气由风机1经流量计、调节阀进入管内，其进、出口处装有测温热电偶。蒸汽经蒸汽阀3进入套管环隙，套管上装有压力表。蒸汽温度由热电偶测定。冷凝水由疏水器排走，蒸汽中不凝性气体由放气阀12排放。 光滑铜管和螺旋槽管 内径d均为17.8mm，管长L均为1224mm。管壁厚度1mm
四、实验步骤与注意事项 （一）实验步骤 1、打开总电源开关。 2、启动风机，打开空气阀，调节空气流量至适量。 3、打开蒸汽阀，通入加热蒸汽，（已事先备好），同时打开蒸汽放气阀，将管内空气排除净后再关放气阀。 4、调整蒸汽压力调到0.05Mpa，并保持蒸汽压力不变。固定某一蒸汽压力， 5、调节空气阀，改变空气流量，每一次流量的改变，均须待空气出口温度达到定态后，才记录有关数据，改变流量，测取多次不同流量下的数据。 6、实验结束，先关蒸汽，待铜管冷却后再停空气。 7、关闭蒸汽发生器。
（二）注意事项 1、刚开始通入蒸汽时，要仔细检查蒸汽阀门的开度，使蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由冷态转变为热态不得少于20分钟。 2、操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.05MPa。 3、测定各参数时，必须是在稳定传热状态下，随时注意惰气的排空和压力表读数的调整。每组数据应重复2-3次，确认数据的再现性、可靠性。
五、实验数据处理及结果讨论 1、实验数据记录整理成表。 2、在双对数坐标纸上标绘Nu-Re关系曲线，确定准数关联式。 3、讨论实验结果。说明蒸汽冷凝给热系数的实验值和冷流体给热系数实验值的变化规律。
六、思考题 1.实验中空气和蒸汽的流向，对传热效果有何影响? 2、当管内空气速度增大时，给热系数有何变化？空气出口温度有何变化？为什么？ 3、实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧还是冷流体侧温度？为什么？ 4、蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响、应采取什么措施？ 5、实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如何及时排走冷凝水？