【实验目的】
1. 观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象 2. 测定空气在圆形直管内强制对流给热系数 3. 测定蒸汽在水平管外冷凝给热系数 4. 学会热电偶测温方法
【实验任务】
1. 测定空气在圆形光滑直管中作湍流流动时对流传热准数关联式 2. 测定空气在螺旋槽管中作湍流流动时对流传热准数关联式
【实验原理】
对流传热的准数关联式为：
Nu=CRemPrnGrl
C、m、n、l为待定参数，
∵实验中测定的是空气在圆管内强制对流的对流传热准数， ∴忽略自然对流传热膜系数的影响（Gr≡0）；
dtd
∵温度变化不大，∴将Pr视为常数。∴有：
λ
Nu=CRem，α=CRem
实验过程中为套管换热器，外观套与内管间为水蒸气，通过冷凝放热加热内管内通入的空气，传热稳定后，传热量（kJ ∙s −1）为：
Q=ρVCP(t2−t1) =αo So (T−Tw ) m =αiSi(tw −t) m （1）
ρ——受热流体密度（kg ∙m −3），V——受热流体体积流量（m 3∙s −1），CP——受热流体比热容（kJ ∙kg −1∙℃−1），t1、t2——受热流体进口、出口温度（℃）。
αo 、αi——水蒸气分别对内管外壁的流量给热系数、对内管内壁的对流给热系数（W ∙m −2∙℃−1），So 、Si——内管外壁、内壁传热面积（m 2）。
T−Tw tw −t
(T−Tw ) m=，(tw −t)m=（2）
w w T——蒸汽进出口温度T1、T2的平均值（℃），Tw ——内管外壁进、出口温度Tw1、Tw2的
平均值（℃），t——空气进、出口温度t1、t2的平均值（℃），tw ——内管内壁温度（℃）。
总传热速率方程：
Q=KS∆tm （3）
联立式（1）（2）（3）得：
KS∆tm =ρVCP(t2−t1) （4）
而
(T−t1) −(T−t2) t2−t1
∆tm ==（5）
1212实验中内管为传热性很好的紫铜管，管壁薄，有：
−1−1
K−1=αi+αo
−1
且αo ≫αi，∴αi−1≫αo ，
K≈αi（6）
αi为空气的传热膜系数。
联立（1）（2）（3）（4）（5）（6）得：
ρVCP(t2−t1) ρVCP(t2−t1)
K=αi==
m m
t2−t1
∆tm =12T1+T2t1+t2
，tm =22
本实验光滑紫铜管内径d=(20−2×1.5) mm =0.017m ，L=1m ；螺旋紫铜管d=17.8mm =0.0178m ，L=1m 。t1、t2、T1、T2均由控制台测得，计算出对应的tm 后查取相应温度下的ρ、CP值，V由控制台测得的流量V′换算得到：
T=
V′
V=（m 3∙s −1）
空气的雷诺准数：
Re=
空气的努塞尔准数：
Nu=
αidKddρVCP(t2−t1)
==m uρdρVdρVd4ρV===
横
μ∙
式中μ、λ分别为温度tm 下的空气粘度和导热系数，计算出tm 后查得。
【实验装置与流程】
实验装置如下图。空气由风机经孔板流量计送入套管换热器内管，水蒸气由蒸汽发生器送入玻璃套外管，套管换热器内空气与蒸汽隔着紫铜内管进行热交换，加热后的空气、冷凝水排入地沟。
光滑紫铜管：ϕ20×1.5mm ，L=1000mm ；螺旋紫铜管：ϕ17.8mm，L=1000mm
外套玻璃管：ϕ112×6mm ，L=1000mm
1. 风机；2. 孔板流量计；3. 调节阀；4. 套管换热器；5. 蒸汽发生器；6. 蒸汽阀；7. 冷凝水排放阀；8. 蒸汽调节阀；9. 冷凝水调节阀；10. 不凝性气体排放阀 ※实验台蒸汽压力控制在10±0.5kPa
【实验步骤】
1. 开总电源开关，打开仪表、巡检仪电源，开变频器电源，开风机，风量调到最大.
2. 确认蒸汽调节阀8、冷凝水调节阀9关闭后，打开冷凝水排放阀7、蒸汽阀6，将蒸汽发生器到装置管段的残留冷凝水排出，到有蒸汽从阀7排出时确认残留冷凝水排净，关阀7. 3. 开阀8至观察到玻璃管套内有蒸汽时关闭（必须观察到蒸汽缓缓进入管套，同时确保蒸汽压力表压力不超过0.025MPa ），重复此步骤15~20min以充分预热管套，防止玻璃爆裂. 4. 打开阀8、阀9，调整蒸汽压力保持在10.0±0.5kPa ，最高不可超过25kPa ，此时有少量蒸汽从阀9排出.
5. 通过仪表台和调节阀3调节空气流量，记录8组不同流量下的实验数据，每次改变流量后待系统换热充分稳定后（此时数据稳定）记录.
6. 保持风机开启，关闭阀8以冷却管套，再关闭风机、仪表电源、巡检仪电源、蒸汽发生器.
【实验数据记录与处理结果】
实验数据记录表
光滑紫铜管：ϕ20×1.5mm ，L=1000mm
序号 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
V′ (m3∙h−1)
V (10−3m3∙s−1)
t1(℃)
t2(℃)
T1(℃)
T2(℃)
Tw1(℃)
Tw2(℃)
22.4 21.0 18.1 15.7 14.4 13.0 11.5 10.0 6.22 5.83 5.03 4.36 4.00 3.61 3.19 2.78 47.3 47.5 46.5 45.4 44.8 43.8 42.9 41.9 71.7 72.5 73.5 73.5 73.6 73.7 73.9 74.1
102.6 102.6 104.4 104.2 104.2 104.3 104.2 104.2 101.3 101.3 103.1 104.3 103.0 103.0 102.9 102.9 99.4 99.4 101.4 101.4 101.4 101.6 101.6 101.7 99.3 99.3 101.0 101.0 100.8 100.7 101.1 101.1
螺旋紫铜管：ϕ17.8mm，L=1000mm
序号 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
V′ (m3∙h−1)
V (10−3m3∙s−1)
t1(℃)
t2(℃)
T1(℃)
T2(℃)
Tw1(℃)
Tw2(℃)
21.6 20.0 18.4 16.8 14.7 13.0 11.6 10.3 6.00 5.56 5.11 4.67 4.08 3.61 3.22 2.86 39.3 40.3 39.7 39.3 38.3 37.1 35.5 34.0 73.4 73.7 73.8 74.1 74.1 73.9 73.7 73.5 105.1 105.2 104.9 105.0 105.0 105.2 105.1 104.8 105.6 105.8 105.4 105.5 105.6 105.7 105.8 105.4 128.9 129.5 130.1 130.5 131.1 131.6 132.5 133.7 95.3 95.3 95.4 95.3 95.1 95.4 95.3 95.0
数据处理：
T1+T2t1+t2V′T=，tm =，V=（m 3∙s −1）
t2−t1ρVCP(t2−t1)
∆tm =，K=αi=
12m
Re=
4ρVKd
，Nu= 实验数据结果表
光滑紫铜管：ϕ20×1.5mm ，L=1000mm
序
号 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
T(℃) 102.0 102.0 103.8 104.3 103.6 103.7 103.6 103.6
螺旋紫铜管：ϕ17.8mm，L=1000mm
序号 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
T(℃)
tm (℃)
λ(W∙m −1∙℃−1)
μ(10−5Pa ∙s)
ρ(kg∙m −3)
CP(kJ∙kg −1∙℃−1)
∆tm (℃)
K(W∙m −2∙℃−1)
αi(W∙m −2∙℃−1)
Re(104)
Nu
t m (℃) 59.5 60.0 60.0 59.5 59.2 58.8 58.4 58.0
λ(W∙m −1∙℃−1) 0.02871 0.02875 0.02875 0.02871 0.02869 0.02866 0.02863 0.02860
μ(10−5Pa ∙s) 1.996 1.998 1.998 1.995 1.994 1.992 1.991 1.989
ρ(kg∙m −3) 1.060 1.058 1.058 1.060 1.061 1.063 1.064 1.066
C P (kJ∙kg −1∙℃−1) 1.0079 1.0079 1.0079 1.0079 1.0078 1.0078 1.0078 1.0078
∆tm (℃) 41.25 40.68 42.32 43.29 42.80 43.19 43.32 43.59
K(W∙m −2∙℃−1) 73.67 71.65 64.10 56.68 53.94 50.17 45.93 41.29
αi (W∙m −2∙℃−1) 73.67 71.65 64.10 56.68 53.94 50.17 45.93 41.29
Re(104) 2.4772 2.3158 1.9960 1.7367 1.5952 1.4438 1.2797 1.1153
Nu 43.62 42.36 37.90 33.56 31.96 29.76 27.27 24.54
105.4 105.5 105.2 105.3 105.3 105.5 105.5 105.1 56.4 57.0 56.8 56.7 56.2 55.5 54.6 53.8 0.02848 0.02853 0.02851
0.02850 0.02846 0.02841 0.02834 0.02828 1.981 1.984 1.983 1.983 1.981 1.977 1.973 1.969 1.072 1.069 1.070 1.070 1.072 1.075 1.078 1.081 1.0076 1.0077 1.0077 1.0077 1.0076 1.0076 1.0075 1.0075 46.95 46.52 46.33 46.39 46.84 47.60 48.36 48.71 84.18 76.89 72.58 67.54 60.32 54.08 49.45 45.20 84.18 76.89 72.58 67.54 60.32 54.08 49.45 45.20 2.3225 2.1425 1.9739 1.8028 1.5819 1.4045 1.2596 1.1239 52.62 47.98 45.32 42.18 37.72 33.88 31.06 28.45
根据所得两种管型的Nu、Re值，用Excel 软件绘制关联图线：
光滑紫铜管
螺旋紫铜管
根据Excel 的运算结果求得
管型
准数关联式
置信度
光滑紫铜管 Nu=0.0272Re0.7304 99.85% 螺旋紫铜管 Nu=0.0113Re0.8392 99.88%
【实验总结】
同样材料，内径相差不大的直管在强制对流传热时，根据传热速率方程式Q=KS∆tm ，可知相同条件下，增大传热面积可以提高传热速率。螺旋槽管的结构能够明显增加单位容积的传热面积，从而在同样体积的换热器中产生更高的传热速率。
【思考题】
1. 实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响？
答：①相同条件下，逆流的∆tm 值比并流大，相同传热系数和传热面积时，可产生更大的传热速率；②逆流时蒸汽出口温度T2可降至冷流体的进口温度t1，并流时T2仅能降至冷流体出口温度t1，即逆流比并流更高效地利用加热介质，减少浪费。
2. 蒸汽冷凝过程中，若存在不凝性气体，对传热有何影响？应采取什么措施？ 答：增加了额外的热阻，降低给热系数。应定期排放不凝性气体。
3. 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？
答：冷凝水会成为额外的热阻，降低给热系数。再传热开始之前，先调整冷凝水调节阀、蒸汽进口阀，排出原先残留的冷凝水后调至冷凝水排放口处有少量蒸汽溢出。
4. 实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧的温度还是靠近冷流体侧的温度？为什么？
答：壁温是靠近蒸汽侧的温度。蒸汽的给热系数远大于冷流体的给热系数，而壁温接近于给热系数大的一侧流体的温度。
5.
如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？ 答：无影响。
【实验目的】
1. 观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象 2. 测定空气在圆形直管内强制对流给热系数 3. 测定蒸汽在水平管外冷凝给热系数 4. 学会热电偶测温方法
【实验任务】
1. 测定空气在圆形光滑直管中作湍流流动时对流传热准数关联式 2. 测定空气在螺旋槽管中作湍流流动时对流传热准数关联式
【实验原理】
对流传热的准数关联式为：
Nu=CRemPrnGrl
C、m、n、l为待定参数，
∵实验中测定的是空气在圆管内强制对流的对流传热准数， ∴忽略自然对流传热膜系数的影响（Gr≡0）；
dtd
∵温度变化不大，∴将Pr视为常数。∴有：
λ
Nu=CRem，α=CRem
实验过程中为套管换热器，外观套与内管间为水蒸气，通过冷凝放热加热内管内通入的空气，传热稳定后，传热量（kJ ∙s −1）为：
Q=ρVCP(t2−t1) =αo So (T−Tw ) m =αiSi(tw −t) m （1）
ρ——受热流体密度（kg ∙m −3），V——受热流体体积流量（m 3∙s −1），CP——受热流体比热容（kJ ∙kg −1∙℃−1），t1、t2——受热流体进口、出口温度（℃）。
αo 、αi——水蒸气分别对内管外壁的流量给热系数、对内管内壁的对流给热系数（W ∙m −2∙℃−1），So 、Si——内管外壁、内壁传热面积（m 2）。
T−Tw tw −t
(T−Tw ) m=，(tw −t)m=（2）
w w T——蒸汽进出口温度T1、T2的平均值（℃），Tw ——内管外壁进、出口温度Tw1、Tw2的
平均值（℃），t——空气进、出口温度t1、t2的平均值（℃），tw ——内管内壁温度（℃）。
总传热速率方程：
Q=KS∆tm （3）
联立式（1）（2）（3）得：
KS∆tm =ρVCP(t2−t1) （4）
而
(T−t1) −(T−t2) t2−t1
∆tm ==（5）
1212实验中内管为传热性很好的紫铜管，管壁薄，有：
−1−1
K−1=αi+αo
−1
且αo ≫αi，∴αi−1≫αo ，
K≈αi（6）
αi为空气的传热膜系数。
联立（1）（2）（3）（4）（5）（6）得：
ρVCP(t2−t1) ρVCP(t2−t1)
K=αi==
m m
t2−t1
∆tm =12T1+T2t1+t2
，tm =22
本实验光滑紫铜管内径d=(20−2×1.5) mm =0.017m ，L=1m ；螺旋紫铜管d=17.8mm =0.0178m ，L=1m 。t1、t2、T1、T2均由控制台测得，计算出对应的tm 后查取相应温度下的ρ、CP值，V由控制台测得的流量V′换算得到：
T=
V′
V=（m 3∙s −1）
空气的雷诺准数：
Re=
空气的努塞尔准数：
Nu=
αidKddρVCP(t2−t1)
==m uρdρVdρVd4ρV===
横
μ∙
式中μ、λ分别为温度tm 下的空气粘度和导热系数，计算出tm 后查得。
【实验装置与流程】
实验装置如下图。空气由风机经孔板流量计送入套管换热器内管，水蒸气由蒸汽发生器送入玻璃套外管，套管换热器内空气与蒸汽隔着紫铜内管进行热交换，加热后的空气、冷凝水排入地沟。
光滑紫铜管：ϕ20×1.5mm ，L=1000mm ；螺旋紫铜管：ϕ17.8mm，L=1000mm
外套玻璃管：ϕ112×6mm ，L=1000mm
1. 风机；2. 孔板流量计；3. 调节阀；4. 套管换热器；5. 蒸汽发生器；6. 蒸汽阀；7. 冷凝水排放阀；8. 蒸汽调节阀；9. 冷凝水调节阀；10. 不凝性气体排放阀 ※实验台蒸汽压力控制在10±0.5kPa
【实验步骤】
1. 开总电源开关，打开仪表、巡检仪电源，开变频器电源，开风机，风量调到最大.
2. 确认蒸汽调节阀8、冷凝水调节阀9关闭后，打开冷凝水排放阀7、蒸汽阀6，将蒸汽发生器到装置管段的残留冷凝水排出，到有蒸汽从阀7排出时确认残留冷凝水排净，关阀7. 3. 开阀8至观察到玻璃管套内有蒸汽时关闭（必须观察到蒸汽缓缓进入管套，同时确保蒸汽压力表压力不超过0.025MPa ），重复此步骤15~20min以充分预热管套，防止玻璃爆裂. 4. 打开阀8、阀9，调整蒸汽压力保持在10.0±0.5kPa ，最高不可超过25kPa ，此时有少量蒸汽从阀9排出.
5. 通过仪表台和调节阀3调节空气流量，记录8组不同流量下的实验数据，每次改变流量后待系统换热充分稳定后（此时数据稳定）记录.
6. 保持风机开启，关闭阀8以冷却管套，再关闭风机、仪表电源、巡检仪电源、蒸汽发生器.
【实验数据记录与处理结果】
实验数据记录表
光滑紫铜管：ϕ20×1.5mm ，L=1000mm
序号 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
V′ (m3∙h−1)
V (10−3m3∙s−1)
t1(℃)
t2(℃)
T1(℃)
T2(℃)
Tw1(℃)
Tw2(℃)
22.4 21.0 18.1 15.7 14.4 13.0 11.5 10.0 6.22 5.83 5.03 4.36 4.00 3.61 3.19 2.78 47.3 47.5 46.5 45.4 44.8 43.8 42.9 41.9 71.7 72.5 73.5 73.5 73.6 73.7 73.9 74.1
102.6 102.6 104.4 104.2 104.2 104.3 104.2 104.2 101.3 101.3 103.1 104.3 103.0 103.0 102.9 102.9 99.4 99.4 101.4 101.4 101.4 101.6 101.6 101.7 99.3 99.3 101.0 101.0 100.8 100.7 101.1 101.1
螺旋紫铜管：ϕ17.8mm，L=1000mm
序号 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
V′ (m3∙h−1)
V (10−3m3∙s−1)
t1(℃)
t2(℃)
T1(℃)
T2(℃)
Tw1(℃)
Tw2(℃)
21.6 20.0 18.4 16.8 14.7 13.0 11.6 10.3 6.00 5.56 5.11 4.67 4.08 3.61 3.22 2.86 39.3 40.3 39.7 39.3 38.3 37.1 35.5 34.0 73.4 73.7 73.8 74.1 74.1 73.9 73.7 73.5 105.1 105.2 104.9 105.0 105.0 105.2 105.1 104.8 105.6 105.8 105.4 105.5 105.6 105.7 105.8 105.4 128.9 129.5 130.1 130.5 131.1 131.6 132.5 133.7 95.3 95.3 95.4 95.3 95.1 95.4 95.3 95.0
数据处理：
T1+T2t1+t2V′T=，tm =，V=（m 3∙s −1）
t2−t1ρVCP(t2−t1)
∆tm =，K=αi=
12m
Re=
4ρVKd
，Nu= 实验数据结果表
光滑紫铜管：ϕ20×1.5mm ，L=1000mm
序
号 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
T(℃) 102.0 102.0 103.8 104.3 103.6 103.7 103.6 103.6
螺旋紫铜管：ϕ17.8mm，L=1000mm
序号 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
T(℃)
tm (℃)
λ(W∙m −1∙℃−1)
μ(10−5Pa ∙s)
ρ(kg∙m −3)
CP(kJ∙kg −1∙℃−1)
∆tm (℃)
K(W∙m −2∙℃−1)
αi(W∙m −2∙℃−1)
Re(104)
Nu
t m (℃) 59.5 60.0 60.0 59.5 59.2 58.8 58.4 58.0
λ(W∙m −1∙℃−1) 0.02871 0.02875 0.02875 0.02871 0.02869 0.02866 0.02863 0.02860
μ(10−5Pa ∙s) 1.996 1.998 1.998 1.995 1.994 1.992 1.991 1.989
ρ(kg∙m −3) 1.060 1.058 1.058 1.060 1.061 1.063 1.064 1.066
C P (kJ∙kg −1∙℃−1) 1.0079 1.0079 1.0079 1.0079 1.0078 1.0078 1.0078 1.0078
∆tm (℃) 41.25 40.68 42.32 43.29 42.80 43.19 43.32 43.59
K(W∙m −2∙℃−1) 73.67 71.65 64.10 56.68 53.94 50.17 45.93 41.29
αi (W∙m −2∙℃−1) 73.67 71.65 64.10 56.68 53.94 50.17 45.93 41.29
Re(104) 2.4772 2.3158 1.9960 1.7367 1.5952 1.4438 1.2797 1.1153
Nu 43.62 42.36 37.90 33.56 31.96 29.76 27.27 24.54
105.4 105.5 105.2 105.3 105.3 105.5 105.5 105.1 56.4 57.0 56.8 56.7 56.2 55.5 54.6 53.8 0.02848 0.02853 0.02851
0.02850 0.02846 0.02841 0.02834 0.02828 1.981 1.984 1.983 1.983 1.981 1.977 1.973 1.969 1.072 1.069 1.070 1.070 1.072 1.075 1.078 1.081 1.0076 1.0077 1.0077 1.0077 1.0076 1.0076 1.0075 1.0075 46.95 46.52 46.33 46.39 46.84 47.60 48.36 48.71 84.18 76.89 72.58 67.54 60.32 54.08 49.45 45.20 84.18 76.89 72.58 67.54 60.32 54.08 49.45 45.20 2.3225 2.1425 1.9739 1.8028 1.5819 1.4045 1.2596 1.1239 52.62 47.98 45.32 42.18 37.72 33.88 31.06 28.45
根据所得两种管型的Nu、Re值，用Excel 软件绘制关联图线：
光滑紫铜管
螺旋紫铜管
根据Excel 的运算结果求得
管型
准数关联式
置信度
光滑紫铜管 Nu=0.0272Re0.7304 99.85% 螺旋紫铜管 Nu=0.0113Re0.8392 99.88%
【实验总结】
同样材料，内径相差不大的直管在强制对流传热时，根据传热速率方程式Q=KS∆tm ，可知相同条件下，增大传热面积可以提高传热速率。螺旋槽管的结构能够明显增加单位容积的传热面积，从而在同样体积的换热器中产生更高的传热速率。
【思考题】
1. 实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响？
答：①相同条件下，逆流的∆tm 值比并流大，相同传热系数和传热面积时，可产生更大的传热速率；②逆流时蒸汽出口温度T2可降至冷流体的进口温度t1，并流时T2仅能降至冷流体出口温度t1，即逆流比并流更高效地利用加热介质，减少浪费。
2. 蒸汽冷凝过程中，若存在不凝性气体，对传热有何影响？应采取什么措施？ 答：增加了额外的热阻，降低给热系数。应定期排放不凝性气体。
3. 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？
答：冷凝水会成为额外的热阻，降低给热系数。再传热开始之前，先调整冷凝水调节阀、蒸汽进口阀，排出原先残留的冷凝水后调至冷凝水排放口处有少量蒸汽溢出。
4. 实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧的温度还是靠近冷流体侧的温度？为什么？
答：壁温是靠近蒸汽侧的温度。蒸汽的给热系数远大于冷流体的给热系数，而壁温接近于给热系数大的一侧流体的温度。
5.
如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？ 答：无影响。