69热

实验四.空气-水蒸气对流传热膜

系数的测定

一、实验目的

1、掌握对流传热膜系数αi的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。

2、应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。并与教材中

相应公式进行比较。

3、掌握热电偶测量壁面温度的方法，了解计算机操作及其应用。

二、实验装置

1.实验流程

1-液位计；2-储水罐；3-排水阀；4-蒸汽发生器；5-强化套管蒸汽进口阀；

6-光滑套管蒸汽进口阀；7-光滑套管换热器；8-内插有螺旋线圈的强化套管换热器；

9-光滑套管蒸汽出口；10-强化套管蒸汽出口；11-光滑套管空气进口阀；12-强化套管空气

进口阀；13-孔板流量计；14-空气旁路调节阀；15-旋涡气泵16-蒸汽冷凝器

空气-水蒸气对流传热膜系数测定装置流程示意图

装置流程见空气-水蒸气对流传热膜系数测定装置流程示意图。由风机送入风管的冷空

气经调节阀调节流量后由孔板流量计测定空气的压力、由Pt100铂电阻温度计测量空气的温

度T1后进入套管换热器的内管，被套管环隙的水蒸气加热到T2排出。循环水槽中的水经蒸

汽发生器被加热汽化后其饱和蒸汽进入套管环隙与内管中的空气进行对流传热，在换热器蒸

汽出口部位安装有数字温度巡检仪（热电偶为铜─康铜)测定管外壁面平均温度w(℃)。

从换热器出来的蒸汽进入蒸汽冷凝器，使蒸汽冷凝后重新回到循环水槽。

系统内空气流量用孔板流量计测量，利用压力传感器将孔板两端的压差转换成电信号，

送入A/D板，即把毫伏值转换成数字信号，进入计算机系统。管壁温度由埋设在换热器二

端的铜---康铜热电偶测定，并将测得的电动势经A/D板、转换进入计算机系统。

计算机控制系统为文件管理、视窗操作、仪表操作、操作面板、动态显示等五个部分：

文件管理：与文件相关的操作和管理功能，包括文件数据的存盘，打印及系统退出。视窗操

作有四方面内容a、流程操作：计算机显示实验装置和采样点数据，用鼠标点击可执行对流

程的操作和实验数据的采取。B、仪表操作：计算机以仪表盘方式动态显示实验数据采样点

和实验装置中的各数据变化。C、操作面板：实现温度控制和传热过程控制，控制方式有两

种，自动控制和手动控制。D、动态显示：显示出温度控制和传热过程控制的动态曲线的数

据；数据管理：实验数据的原始记录和显示，以及数据处理结果的显示和曲线的绘制。系统

参数设置：实验者不允许使用。帮助系统：提供了有关软件和实验操作的使用说明。

2、实验设备主要技术参数：

(1)传热管参数:

表一实验装置结构参数

实验内管内径di（mm）20.00

实验内管外径do（mm）22.0

实验外管内径Di（mm）50

实验外管外径Do（mm）57.0

测量段（紫铜内管）长度l（m）1.20

强化内管内插物

（螺旋线圈）尺寸

丝径h（mm）3

节距H（mm）40

加热釜

操作电压≤200伏

操作电流≤10安

三、原理和方法

（一）、圆形直管内空气强制对流传热膜系数

1

a的测定。

本实验系水蒸气－－空气在套管换热器中进行对流的换热过程。

根据牛顿冷却定律：

)(.

11w

tTAaQ=α11

A

T

[w](4---1)

即：

TA

Q





1

1

[w/m2.c]（4---2）

式中：

1

a--传热膜系数。（有些教材中用符号h）；

1

A--传热管内表面积[m2]

T

--热流体和管壁传热温差[℃]；

空气流量测量:

由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。空气流量由公式(4---3)计算。

1

001

2

t

t

P

AcV







[m3/h]（4---3）(4---4)

其中：c0-孔板流量计孔流系数，c0

=0.65；

A0-孔的面积m2A0=

4



d0

d0-孔板孔径，d0

=0.0165m；

P

-孔板两端压差，Kpa；

1t



-空气入口温度（即流量计处温度）下密度，Kg/m3。

实验条件下的空气流量V(m3/h)需按下式换算:

1

1273

273

t

t

VV

t





(4---4)

其中，V-实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m3/h；

t-换热器管内平均温度，℃；

t1-传热内管空气进口（即流量计处）温度，℃。

温度测量:

①空气进、出传热管测量段的温度t(℃)均由Pt100铂电阻温度计测量，可由数字

显示仪表直接读出。

②管外壁面平均温度tw(℃)由数字温度计测出,（热电偶为铜─康铜)。

冷热流体间的平均温度差Δtm（℃）的计算:



2

21

tt

tt

wm





（℃）(4---5)

传热速率Q(W)的计算

3600

tCpV

Qt

m

t







(4---5)

式中:Cpi--空气的定压热量[J/kg.℃]；

i

--孔板处空气密度[kg/m3]；

传热准数

/

ii

dNu

(4--6)



--定性温度下空气的导热系数[W/m.℃]。

雷诺准数







ud

iRe

式中：d--换热管直径[m]；

s--换热管截面积[m2]；



--定性温度下空气的粘度[pa.s]；

（8）作图、回归得到准数关联式

4.0PrRemANu

中的系数。

将测得的1



-W数据按上列关系算出相应的Nu-Re值，并在双对数座标纸上，绘成直线，

即可求出截距和斜率，从而确定系数m和指数A.

四、实验前的检查及操作步骤

1.实验前的检查准备

(1)向水箱中加水至液位计上端。

(2)检查空气流量旁路调节阀5是否全开(应全开)。

(3)检查蒸气管支路各控制阀10（11）和空气支路控制阀8（9）是否已打开（应保证有

一路是开启状态），保证蒸汽和空气管线畅通。

(4)合上总电源开关，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热

2.操作步骤

（1）手动实验操作：

①打开加热开关,仪器按设定好的加热电压自动控制加热电压,蒸汽发生器内的水经过

加热后产生水蒸气,并经过空气冷却器冷凝后冷凝液回到储水槽中。

加热电压的设定：按一下加热电压控制仪表的键，在仪表的SV显示窗中右下方出现一闪

烁的小点，每按一次键，小点便向左移动一位，小点在哪个位子上就可以利用、键

调节相应位子的数值，调好后在不按动仪表上任何按键的情况下30秒后仪表自动确认，并

按所设定的数值应用。

②换热器壳程内有水蒸气后，将变频器的频率调至50Hz并打开旁路调节阀5后启动风机，

用旁路调节阀5来调节空气的流量并在一定的流量下稳定3—5分钟后分别测量空气的流量,

空气进、出口的温度和管壁温度，由温度巡检仪测量（1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空

气出口温度；3-强化管空气入口温度；4-强化管空气出口温度）,换热器内管壁面的温度由

温度巡检仪（上-光滑管壁面温度；下-强化管壁面温度）测得。然后,在改变流量稳定后分

别测量空气的流量,空气进,出口的温度,壁面温度后继续实验。

③实验结束后,依次关闭加热、风机和总电源。一切复原。

（2）应用计算机操作；

①启动计算机，实验设备通电，关闭空气旁路调节阀5。

②更改变频器中参数，将变频器设置调到计算机控制状态。调节方法如下：

按变频器（DSP/FUN）键示窗变为（F000）利用（∨，∧，＜)键，将（F000）改为（F010），

按（READ/ENTER）键示窗变为（0000）利用（∨，∧)键，将（0000）改为（0001）再按（READ/ENTER）

键示窗变为（F010）利用（∨，∧，＜)键，将（F010）改为（F011），按（READ/ENTER）键

示窗变为（0000）利用（∨，∧)，将（0000）改为（0002）按（READ/ENTER）后，再按按

变频器（DSP/FUN），此时变频器为自动计算机控制状态。

③打开计算机进入应用程序，在实验操作界面中点击（加热电压开关）上的绿色按键，

在加热电压的红色数字上点击，在弹出的对话窗中输入相应加热电压值后，确定并开始加热。

④待所试验管路壁温接近蒸汽温度后，达到稳定，在实验操作界面中点击（风机开关）

绿色按键，启动风机。

⑤在实验操作界面中选择所进行的实验管路。

⑥在流量调节窗中输入一定的数值后，按下（流量调节）键，程序会按所输入的数值相

应的调节变频器的频率，以达到改变空气流量的目的，待流量稳定3—5分钟后，点击（数

据采集）即可完成一次数据的记录，在操作界面的上方会显示出这次所采集的数据，在操作

界面的右下的图中出现相应的数据采集点。后再在流量调节窗中输入数值用以改变流量，待

流量稳定后继续采集。

⑦待整个换热器实验结束后点击操作界面左上方的（文件）按键选择（结束实验），对实

验数据进行保存。切换另一个换热器，实验步骤同上，进行数据采集。待数据采集结束后，

将两次实验结果合并一处进行整理，对数据和图象进行保存或打印。

⑧结束实验，可利用计算机程序关闭风机和停止加热，最后结束程序，一切复原。

5、实验从大风量做起，共测取6-8组不同风量的实验数据。调节风量参照V值。将实

验点在双对数座标纸上分布均匀。

6、做完实验后，先切断计算机主机电源、终端，然后按序切断电加热器、电源、水源，

最后停风机。

五．实验注意事项：

(1)实验前将加热器内的水要加到指定位置,防止电热器干烧损坏电器。特别是每次实

验结束后，进行下次实验之前，一定检查水位，及时补充。

（2)计算机数据采集和过程控制实验时应严格按照计算机使用规程操作计算机.采集

数据和控制过程中要注意观察实验现象。

(3)开始加热时,加热电压控制在(110V)左右为宜。加热电压过大则容易导致壁温不稳。

(4)加热约十分钟后,可提前启动鼓风机,保证实验开始时空气入口温度比较稳定，可

节省实验时间。

（5）必须保证蒸汽上升管线的畅通。即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路控制阀之

一必须全开。转换支路时，应先开启需要的支路阀门，再关闭另一侧阀门，且开启和关闭控

制阀门时动作要缓慢，防止管线骤然截断使蒸汽压力过大而突然喷出。

（6）必须保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前，两个空气支路控制阀之一和

旁路调节阀必须全开。转换支路时，应先关闭风机电源，然后再开启或关闭控制阀。

（7）手动操作时按变频器（F010）键示窗应为（0000）、（F011）键示窗应为（0000）

此时变频器为手动控制状态。

（8）本实验装置加装蒸汽冷凝器，使蒸汽冷凝后重新回到储水箱中，加热电源启动时

蒸汽冷凝器用风扇同时启动。注意电源线的相线、零线、地线不能接错。

六、思考题

1、为什么要把实验结果关联成Nu-Re准数方程式，而不用1



-W来关联？

2、除实验讲义上所提方法外，还有何方法可测定传热膜系数？

3、为了使进入换热器的热空气入口温度T1，每次都稳定在一定值（例如90℃），若第

二点的空气流量降为第一点的1/2，则电加热器的加热电压应降为原来的几分之几，（忽略

电加热器的热损失）。

参考书目

1、J．P．Holman“RxperimentalMethodsforEngineers”,3rded.,McGraw-Hill,(1978)。

(介绍各种温度测量方法)。

2、王补宣等：《传热学基础》，高等教育出版社，1956。

（测量传热膜系数的方法）

3、李云倩等：《传热及传热器》，化工出版社，1985。

（介绍加热、冷却和冷凝和各种方法，平均温度差、传热系数及传热面积等的计算方法）。

4、浙江大学化工学院《化工原理实验指导书》

5、计算机原理，空军雷达学院。

6、Win95的使用，清华大学出版社。

7、浙江大学化工学院《化工原理实验指导书》，1999。