化工原理二对流传热系数电子教案

化工原理二对流传热系数电子教案1第1页，共24页，2023年，2月20日，星期一实验五对流传热系数的测定

一、实验原理1、对流传热过程分析对流传热（对流给热）是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。实质上对流传热是流体的对流与热传导共同作用的结果。工业生产中大量遇到的是流体流过固体表面时与固体表面间发生的热量交换。这一过程称为对流给热。2第2页，共24页，2023年，2月20日，星期一一、实验原理热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递过程3第3页，共24页，2023年，2月20日，星期一一、实验原理2、对流传热过程的数学描述流体被冷却时，流体被加热时上两式称为牛顿冷却定律。它并非理论推导的结果，它只是一种推论，是一个实验定律，假设Q∝t。对流传热是一个非常复杂的物理过程，实际上由于有效膜厚度难以测定，牛顿冷却定律只是给出了计算传热速率简单的数学表达式，并未简化问题本身，只是把诸多影响过程的因素都归结到了当中──复杂问题简单化表示。4第4页，共24页，2023年，2月20日，星期一一、实验原理影响因素：（1）间壁传热由对流传热－导热－对流传热三个过程组成。（2）同一管壁界面上的温度以折线表示，且逐步下降，其层流内层热阻最大，因而温降也最大。（3）对流传热是由层流内层的导热和层流外层的流体质点作相对位移和传热混合的统称。（4）为简化处理，对流传热作为通过厚度的传热边界层的导热处理。必须指出是不存在的，为了处理问题而假设的。5第5页，共24页，2023年，2月20日，星期一一、实验原理3、影响对流传热系数的因素（1）

引起流动的原因自然对流：强制对流：（2）

流体的物性影响较大的物性有：，，，cp。（3）

流动型态层流：流体中主要依靠热传导的方式传热。由于流体的导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。湍流：质点充分混合且层流底层变薄，较大；但Re动力消耗大。6第6页，共24页，2023年，2月20日，星期一一、实验原理（4）传热面的形状、大小和位置

不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。（1）形状：比如管、板、管束等；（2）大小：比如管径和管长等；D/L越小，湍动程度越小（3）位置：比如管子得排列方式

对于一种类型的传热面常用一个对对流传热系数有决定性影响的特性尺寸L来表示其大小。（5）是否发生相变

主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。一般情况下，有相变化时对流传热系数较大。

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一、实验原理4、获得给热系数的方法①解析法：对所考察的流场建立动量传递、热量传递的衡算方程和速率方程，在少数简单的情况下可以联立求解流场的温度分布和壁面热流密度，然后将所得结果改写成牛顿冷却定律的形式，获得给热系数的理论计算式。这是对流给热过程的解析解。这是一个复杂的过程，一般用于理论讨论。②数学模型法：对给热过程作出简化的物理模型和数学描述，用实验检验或修正模型，确定模型参数。③因次分析法：将影响给热的因素无因次化，通过实验决定无因次准数之间的关系。这是理论指导下的实验研究方法，在对流给热中广为使用。④实验法：对少数复杂的对流给热过程适用。8第8页，共24页，2023年，2月20日，星期一一、实验原理5、对流传热系数经验关联式的建立

由于对流传热本身是一个非常复杂的物理问题，现在用牛顿冷却定律把复杂问题简单表示，把复杂问题转到计算对流传热系数上面。所以，对流传热系数大小的确定成为了一个复杂问题，其影响因素非常多。目前还不能对对流传热系数从理论上来推导它的计算式，只能通过实验得到其经验关联式。9第9页，共24页，2023年，2月20日，星期一一、实验原理因次分析法

＝f(u，l，，，cp，，g，t)

基本因次，共4个，长度L，时间T，质量M，温度t

变量总数：共8个因次分析之后，所得准数关联式中共有4个无因次数群（由定理8-4=4

）因次分析结果如下：10第10页，共24页，2023年，2月20日，星期一11第11页，共24页，2023年，2月20日，星期一实验五对流传热系数的测定

5、对流传热系数的实验测定

在套管换热器中，环隙中通水蒸汽，内管管内通空气，水蒸冷凝放热加热空气，当传热达到稳定之后空气侧对流传热系数i与总传热系数K

有以下关系：若一侧的对流传热系数远小于另一侧的对流传热系数时，如，则。说明很大的对流传热系数对K值得影响很小，K值接近小的对流传热系数值。换句话说，总热阻由热阻大的那一侧的对流传热系数所决定。12第12页，共24页，2023年，2月20日，星期一实验五对流传热系数的测定

(1)对流传热系数的计算根据传热速率方程和热量衡算式有如下关系

通过上式计算出实测值i。可以利用已知的i，整理出不同流速下的Nu准数与Re准数之间的函数关系，也就是确定出式中的C和γ。13第13页，共24页，2023年，2月20日，星期一

实验五对流传热系数的测定

（2）Re与Nu的计算（3）流量的测量和密度的计算14第14页，共24页，2023年，2月20日，星期一

实验五对流传热系数的测定

二、实验内容测定不同空气流量下空气和水蒸汽在套管换热器中的进、出口温度，求得空气在管内的对流传热系数。

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三、实验目的1．掌握对流传热系数的测定方法。2．测定空气在圆形直管内(或螺旋槽管内)的强制对流传热系数，并把数据整理成准数关联式，以检验通用的对流传热准数关联式。3.了解对流传热系数的影响因素和强化传热的途径。

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四、测量参数流量压强温度管子尺寸17第17页，共24页，2023年，2月20日，星期一实验五对流传热系数的测定

五、实验所需仪器设备（1）套管换热器：光滑管：螺旋槽管：（2）风机型号：D2—4型微音气泵；（3）铜电阻：Cu50型；（4）蒸汽发生器；（5）流量计；（6）压差计。18第18页，共24页，2023年，2月20日，星期一六、实验流程图

1．

蒸汽发生器

2．压力表

3．安全阀

4．套管换热器

5．放气阀

6．压力表7．转子流量计

8．旁通阀

9．风机

10．冷凝水放水阀

11．冷凝水收集罐

p

p

Ｔ

Ｔ123465789101119第19页，共24页，2023年，2月20日，星期一六、实验流程图20第20页，共24页，2023年，2月20日，星期一实验五对流传热系数的测定

七、实验操作1.实验前准备工作(1).给温控仪设定适当温度，加热；(2).待蒸汽发生器内温度接近设定温度时，打开蒸汽阀门，使蒸汽进入套管环隙，并打开放气阀排除不凝性气体。微开排液阀，以便冷凝水及时排除。21第21页，共24页，2023年，2月20日，星期一实验五对流传热系数的测定

2、实验操作1．等温度稳定后，打开空气旁通阀，开启风机，调节阀门使流量到指定刻度，待稳定后，记录数据2．改变空气流量，稳定后，读取数据。注意:

实验过程中应及时排除不凝性气体和冷凝水。但在排放过程中，尽量不要影响实验操作的稳定性。22第22页，共24页，2023年，2月20日，星期一

3、实验结束

（1）实验结束后，先关闭空气调节阀后关闭风机，最后关闭总电源开关。

（2）读大气压力计值，记录操作条件下大气压强值。2