一、 实验课程名称：化工原理
二、实验项目名称：空气－蒸汽对流给热系数测定 三、实验目的和要求：
1、 了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。
2、 掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。
3、 学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。
四、实验内容和原理
实验内容：测定不同空气流量下进出口端的相关温度，计算α，关联出相关系数。
实验原理：在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，称为间壁式换热。如图(4－1)所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热，
固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。
达到传热稳定时，有
()()()()m m W M W p p t KA t t A T T A t t c m T T c m Q ?=-=-=-=-=221112222111αα （4－1）
热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（4—2）计算，
()()()
2
211221
1ln
W W W W m W T T T T T T T T T T -----=- （4－2） 式中：T W 1 －热流体进口处热流体侧的壁面温度，℃；T W 2 －热流体出口处热流体侧的壁面温度，℃。
固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式（4—3）计算，
()()()
2
21
12211ln t t t t t t t t t t W W W W m W -----=- （4－3）
式中：t W 1 － 冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，℃；t W 2 － 冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，℃。
热、冷流体间的对数平均温差可由式（4—4）计算，
()()1221
1221
m t T t T ln t T t T t -----=? （4－4） 当在套管式间壁换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以冷空气或水进行对流传热系数测定实验时，则由式（4－1）得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数，
()()M
W p t t A t t c m --=
212222α （4－5）
δ
T
T W t W
t
图4－1间壁式传热过程示意图
实验中测定紫铜管的壁温t w1、t w2；冷空气或水的进出口温度t 1、t 2；实验用紫铜管的长度l 、内径d 2，l d A 22π=；和冷流体的质量流量，即可计算α2。
然而，直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度，实验技术难度大，而且所测得的数据准确性差，带来较大的实验误差。因此，通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流给热系数就成为人们广泛采用的一种实验研究手段。
由式（4－1）得，
()m
p t A t t c m K ?-=
1222 （4－6）
实验测定2m 、2121T T t t 、、、、并查取()212
1
t t t +=平均下冷流体对应的2p c 、换热面积A ，即可由上式计算得总给热系数K 。
1． 近似法求算对流给热系数2α
以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为，
1
121212221
1d d d d R d bd R K S m S αλα++++= （4－7） 用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流给热系数约为几十到几百K m W .2；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数1α可达~K m W .1024左右，因此冷凝传热热阻1
12
d d α可忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻1
21
d d R
S 也可忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数为383.8K m W ?，壁厚为2.5mm ，因此换热管壁的导热热阻m d bd λ2可忽略。若换热管内侧的污垢热阻2S R 也
忽略不计，则由式（4－7）得，
K ≈2α （4－8）
由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法所得的准确性就越高。
2． 冷流体质量流量的测定
用孔板流量计测冷流体的流量，则，2m V ρ= (4－9) 式中，V 为冷流体进口处流量计读数，ρ为冷流体进口温度下对应的密度。
3． 冷流体物性与温度的关系式
在0～100℃之间，冷流体的物性与温度的关系有如下拟合公式。 （1）空气的密度与温度的关系式：52310 4.510 1.2916t t ρ--=-?+ （2）空气的比热与温度的关系式：60℃以下p C ＝1005 J / (kg ?℃),
70℃以上p C ＝1009 J / (kg ?℃)。
（3）空气的导热系数与温度的关系式： 8252108100.0244t t λ--=-?+?+ （4）空气的黏度与温度的关系式：6235(210510 1.716910t t μ---=-?+?+?）
五、主要仪器设备
1．实验装置 实验装置如图4-1所示
图4-1 空气-水蒸气换热流程图
来自蒸汽发生器的水蒸气进入不锈钢套管换热器环隙，与来自风机的空气在套管换热器内进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。冷空气经孔板流量计或转子流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后排出装置外。
2．设备与仪表规格
（1）紫铜管规格：直径φ21×2.5mm，长度L=1000mm；（2）外套不锈钢管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm；（4）铂热电阻及无纸记录仪温度显示；（5）全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表。
六、操作方法与实验步骤
（一）实验步骤
1、打开控制面板上的总电源开关，打开仪表电源开关，使仪表通电预热，观察仪表显示是否正
常。
2、在蒸汽发生器中灌装清水至水箱的球体中部，开启发生器电源，使水处于加热状态。到达符
合条件的蒸汽压力后，系统会自动处于保温状态。
3、打开控制面板上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体进口阀，让套管换热器里充
有一定量的空气。
4、打开冷凝水出口阀，排出上次实验余留的冷凝水，在整个实验过程中也保持一定开度。注意
开度适中，开度太大会使换热器中的蒸汽跑掉，开度太小会使换热不锈钢管里的蒸汽压力过
大而导致不锈钢管炸裂。
5、在通水蒸汽前，也应将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排除，否则夹带冷凝水的
蒸汽会损坏压力表及压力变送器。具体排除冷凝水的方法是：关闭蒸汽进口阀门，打开装置
下面的排冷凝水阀门，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽响时关闭冷凝水排除
阀，方可进行下一步实验。
6、开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽阀的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐充满系统中，
使系统由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，防止不锈钢管换热器因突然受热、受
压而爆裂。
7、上述准备工作结束，系统也处于“热态”后，调节蒸汽进口阀，使蒸汽进口压力维持在
0. 01MPa，可通过调节蒸汽发生器出口阀及蒸汽进口阀开度来实现。
8、自动调节冷空气进口流量时，可通过仪表调节风机转速频率来改变冷流体的流量到一定值，
在每个流量条件下，均须待热交换过程稳定后方可记录实验数值，一般每个流量下至少应使
热交换过程保持15分钟方为视为稳定；改变流量，记录不同流量下的实验数值。
9、记录6～8组实验数据，可结束实验。先关闭蒸汽发生器，关闭蒸汽进口阀，关闭仪表电源，
待系统逐渐冷却后关闭风机电源，待冷凝水流尽，关闭冷凝水出口阀，关闭总电源。
10、打开实验软件，输入实验数据，进行后续处理。
七、实验数据记录与处理
（下面计算都取第一个值作例子）
1、实验数据记录
项目
1 2 3 4 5 6
次序
水蒸气压强 MPa 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03
℃28.8 32.1 29.5 27.0 25.3 23.8 空气进口温度 t
1
空气出口温度 t
℃72.6 75.5 75.3 76.0 77.5 79.7
2
℃105.2 106.0 106.3 106.2 106.2 106.4 空气进口处蒸气温度T
1
℃104.8 106.4 106.6 106.6 106.7 106.8 空气出口处蒸气温度T
2
空气流量V m3/h 20.0 17.1 14.1 11.0 8.2 5.2
2、冷流体的物性等基本数据计算
（1）空气的密度与温度的关系式：ρ=10-5t2-4.5×10-3t+1.2916
ρ=10-5×28.82-4.5×10-3×28.8+1.2916=1.1703 kg/m3(进口处空气温度密度）
ρ'=10-5×50.72-4.5×10-3×50.7+1.2916=1.0892 kg/m3(定性温度下的空气密度）
C＝1005J / (kg ?℃),
（2）空气的比热与温度的关系式：60℃以下
p
C＝1009J / (kg ?℃)。
70℃以上
p
定性温度=(t1+t2)÷2=(28.8+72.6)÷2=50.7,所以，取C p=1005 J/(kg·℃)
（3）空气的导热系数与温度的关系式：λ=-2×10-8t2+8×10-5t+0.0244
λ=-2×10-8×28.82+8×10-5×28.8+0.0244=0.0284 W/(m·K)
（4）空气的黏度与温度的关系式：μ=(-2×10-6t2+5×10-3t+1.7169)×10-5
μ=(-2×10-6×28.82+5×10-3×28.8+1.7169)×10-5=1.96525902E-05 Pa·s
(5) 空气质量流量计算m s2=ρV=1.1703×20.0÷3600=0.0065
(6)空气流速计算u=V/πr2=20÷3600÷(3.14×0.0082)=27.6451 m/s
计算结果在下表：
1 2 3 4 5 6
空气进口处密度ρkg/m3 1.1703 1.1575 1.1676 1.1774 1.1842 1.1902 kg/s 0.0065 0.0055 0.0046 0.0036 0.0027 0.0017 空气质量流量 m
s2
空气导热系数
0.0284 0.0286 0.0285 0.0285 0.0285 0.0285
λW/(m·K)
空气定性温度ρ kg/m3 1.0892 1.0784 1.0833 1.0864 1.0867 1.0855 空气定性温度T ℃50.7 53.8 52.4 51.5 51.4 51.75 空气流速 u m/s 27.6451 23.6365 19.4898 15.2048 11.3345 7.1877 空气的黏度μPa·s 1.965E-05 1.980E-05 1.973E-05 1.969-05 1.969E-05 1.9705E-05
3、总给热系数K的计算
(1)热、冷流体间的对数平均温差Δtm的计算
Δtm=[(T1-t2)－(T2-t1)]/ln[(T1-t2)/(T2-t1)]=[(105.2-72.6)－(104.8-28.8)]/ln[(105.2-72.6)/(104.8-28.8)]=51.27℃
(2)总给热系数K的计算
K=m s2p C(t2-t1)/AΔtm=0.0065×1005×(72.6-28.8)÷3.14÷0.016÷51.27=111.10 W/(m2·℃) 其中，A=πdL L=1m d=0.016m
项目
1 2 3 4 5 6
次序
℃51.27 49.19 50.60 50.97 50.55 49.64
Δt
m
C
J/(kg·℃)1005 1005 1005 1005 1005 1005
p
K W/(m2·℃)111.10 97.03 82.80 69.18 55.71 38.73
4、近似法求算对流给热系数α 2
由前面原理已经得知α2≈K=111.10 W/(m2·℃)
5、对流给热系数α2理论值的计算
项目
1 2 3 4 5 6
次序
Re 24513.6 20597.4 17117.6 13421.9 10011.0 6336.0
Pr 0.6953 0.6947 0.6950 0.6952 0.6952 0.6951
Nu
64.59 56.17 48.45 39.89 31.55 21.88
理论
Nu 62.58 54.20 46.43 38.88 31.32 21.75 α 2 W/(m2·℃)111.10 97.03 82.80 69.18 55.71 38.73
α2理论W/(m2·℃)114.66 100.56 86.41 70.96 56.11 38.95 误差0.0310 0.0351 0.0417 0.0251 0.0071 0.0058 Nu
/Pr0.474.69 64.98 56.04 46.13 36.48 25.30 理论
Nu/Pr0.472.37 62.70 53.70 44.97 36.23 25.16
lnNu/Pr0.4 4.31 4.17 4.03 3.83 3.60 3.23 /Pr0.4 4.28 4.14 3.98 3.81 3.59 3.23 lnNu
理论
lnRe 10.11 9.93 9.75 9.50 9.21 8.75 du/μ=0.016×27.6451×1.0892÷(1.97×10-5)=24513.6
Re=ρ
Pr=C pμ/λ=1005×1.97×10-5÷0.0284=0.6953
对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，若符合如下范围内：Re=1.0×104~1.2×105， Pr=0.7~120,管长于管内径之比l/d ≥60，则传热准数经验式为：
Nu=0.0023Re 0.8Pr n （当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时n=0.3） 本实验L/d=1/0.016=62.5 Pr,Re 值也基本上在范围内，所以 Nu=0.0023Re 0.8Pr n =0.0023×24513.60.8×0.69530.4=64.59
Nu=αd/λ 所以α理论=Nu λ/d=64.59×1.97×10-5÷0.016=114.66 误差=(α
理论
－α)/α
理论
=（114.66－111.10)÷114.66×100%=3.1%
八、实验结果与分析
1、冷流体给热系数的实验计算值与理论值（800230.0.4Re .Nu/Pr =）列表比较，计算各点误差，并分析讨论。
项目
次序
1 2 3 4 5 6
Nu 理论 64.59 56.17 48.45 39.89 31.55 21.88 Nu
62.58 54.20 46.43 38.88 31.32 21.75 α 2 W/(m 2·℃) 111.10 97.03 82.80 69.18 55.71 38.73 α2理论 W/(m2·℃) 114.66 100.56 86.41 70.96 56.11 38.95
误差比较大是因为实验数据的温差及Re 数没有全在要求的范围内，用该准数式误差会比较大，还有就是测第一组数据时等待时间不足，可能没有真正达到“热态”。
2、冷流体给热系数的准数式：m 0.4Re A Nu/Pr =，以()
0.4Nu/Pr ln 为纵坐标，()Re ln 为横坐标，将实验数据的结果标绘在图上，由实验数据作图拟合曲线方程，确定式中常数A 及m ；并与教材中的经验式800230.0.4Re .Nu/Pr =比较。
冷流体给热系数的准数式：Nu/Pr 0.4=YRe m ，以(
)0.4
N u/Pr
ln 为纵坐标，()Re ln 为横坐标,将实验数据作图拟
合曲线方程确定式中常数Y 及m （图见下页）
lnNu/Pr 0.4=lnY+mlnRe
所以，A=lnY=-3.54757 Y=0.02879， m=0.77387 （根据图上A 、B 值计算得）
而教材上为Nu/Pr 0.4=0.023Re 0.8，误差比较大。这与实验数据的温差及Re 数没有全在要求的范围内有关系。如果温差不符合范围的采用齐德—泰特公式以及其他修正，误差可以减小。
九、讨论、心得
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?
无影响。因为Q=αA△tm，不论冷流体和蒸汽是顺流还是逆流流动，由于蒸汽的温度不变，故△tm不变，而α和A不受冷流体和蒸汽的流向的影响，所以传热效果不变。
2、在计算空气质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值是否一致？它们分别表示什么位
置的密度，应在什么条件下进行计算。
计算空气质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值不一致，前者的密度为空气入口处温度下的密度，而后者为空气定性温度（平均温度）下的密度。
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？如果采用不同压强的
蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？
冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了一项热阻，降低了传热速率。在外管最低处设置排水口，及时排走冷凝水。
采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式基本无影响。因为α∝(ρ2gλ3r/μd△t)1/4，当蒸汽压强增加时，r和△均增加，其它参数不变，故(ρ2gλ3r/μd△t)1/4变化不大，所以认为蒸汽压
强对α关联式无影响。
空气-蒸汽给热系数测定实验指导书 (1)
空气－蒸汽给热系数测定装置 实验指导书
空气－蒸汽对流给热系数测定 一、实验目的 1、 了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。 2、 掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。 3、 学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。 二、基本原理 在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交 换，称为间壁式换热。如图(4－1)所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热， 固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。 达到传热稳定时，有 ()() ()()m m W M W p p t KA t t A T T A t t c m T T c m Q ?=-=-=-=-=221112222111αα （4－1） 式中：Q － 传热量，J / s ； m 1 － 热流体的质量流率，kg / s ； c p 1 － 热流体的比热，J / (kg ?℃)； T 1 － 热流体的进口温度，℃； T 2 － 热流体的出口温度，℃； m 2 － 冷流体的质量流率，kg / s ； δ T T W t W t 图4－1间壁式传热过程示意图
c p 2 － 冷流体的比热，J / (kg ?℃)； t 1 － 冷流体的进口温度，℃； t 2 － 冷流体的出口温度，℃； α1 － 热流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m 2 ?℃)； A 1 － 热流体侧的对流传热面积，m 2； ()m W T T -－ 热流体与固体壁面的对数平均温差，℃； α2 － 冷流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m 2 ?℃)； A 2 － 冷流体侧的对流传热面积，m 2； ()m W t t - － 固体壁面与冷流体的对数平均温差，℃； K － 以传热面积A 为基准的总给热系数，W / (m 2 ?℃)； m t ?－ 冷热流体的对数平均温差，℃； 热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（4—2）计算， ()()() 2 211 2211ln W W W W m W T T T T T T T T T T -----= - （4－2） 式中：T W 1 － 热流体进口处热流体侧的壁面温度，℃； T W 2 － 热流体出口处热流体侧的壁面温度，℃。 固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式（4—3）计算， ()()() 2 21 12211ln t t t t t t t t t t W W W W m W -----= - （4－3） 式中：t W 1 － 冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，℃； t W 2 － 冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，℃。 热、冷流体间的对数平均温差可由式（4—4）计算， ()() 1 221 1221m t T t T ln t T t T t -----= ? （4－4） 当在套管式间壁换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以冷空气或水进行对流传热系数测定实验时，则由式（4－1）得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数， ()()M W p t t A t t c m --= 212222α （4－5）
物化实验报告燃烧热的测定
华南师范大学实验报告 一、实验目的 1、明确燃烧热的定义，了解定压燃烧热与定容燃烧热的差别。 2、掌握量热技术的基本原理；学会测定萘的燃烧热 3、了解氧弹量热计的主要组成及作用，掌握氧弹量热计的操作技术。 4、学会雷诺图解法校正温度改变值。 二、 实验原理 通常测定物质的燃烧热，是用氧弹量热计，测量的基本原理是能量守恒定律。一定量被测物质样品在氧弹中完全燃烧时，所释放的热量使氧弹本身及其周围的介质和量热计有关附件的温度升高，测量介质在燃烧前后温度的变化值T ?，就能计算出该样品的燃烧热。 ()p V Q Q RT n g =+? （1） ()V W W Q Q C W C M +=+样品21总铁丝铁丝水水（T -T ） （2） 用已知燃烧热的物质（本实验用苯甲酸）放在量热计中燃烧，测其始末温度，求出T ?。 便可据上式求出K ，再用求得的K 值作为已知数求出待测物（萘）的燃烧热。 三、仪器和试剂 1.仪器 SHR-15氧弹量热计1台；贝克曼温度计；压片机 2台；充氧器1台；氧气钢瓶1个；1/10℃温度计；万能电表一个；天平 2.试剂 铁丝；苯甲酸(AR)；萘（AR ）；氧气 四、实验步骤 1、测定氧氮卡计和水的总热容量 （1）样品压片：压片前先检查压片用钢模，若发现钢模有铁锈油污或尘土等，必须擦净后，才能进行压片，用天平称取约0.8g 苯甲酸，再用分析天平准确称取一根铁丝质量，从模具的上面倒入己称好的苯甲酸样品，徐徐旋紧 压片机的螺杆，直到将样品压成片状为止。抽出模底的托板，再继续向下压，使模底和样品一起脱落，然后在分析天平上准确称重。 分别准确称量记录好数据，即可供燃烧热测定用。 （2）装置氧弹、充氧气：拧开氧弹盖，将氧弹内壁擦净，特别是电极下端的不锈钢接线柱更应擦十净，将点火丝的两端分别绑紧在氧弹中的两根电极上，选紧氧弹盖，用万用表欧姆档检查两电极是否通路，使用高压钢瓶时必须严格遵守操作规则。将氧弹放在充氧仪台架上，拉动板乎充入氧气。 （3）燃烧温度的测定：将充好氧气后，再用万用表检查两电极间是否通路，若通路将氧弹放入量热计内简。用量筒称3L 自来水，倒入水桶内，装好搅拌轴，盖好盖子，将贝克曼温度计探头插入水中，此时用普通温度计读出水外筒水温和水桶内的水温。接好电极，盖上盖了，打开搅拌开关。待温度温度稳定上升后，每个半分钟读取贝克曼温度计一次，连续记
导热系数的测量实验报告
导热系数的测量 导热系数（又称导热率）是反映材料热性能的重要物理量，导热系数大、导热性能好的材料称为良导体，导热系数小、导热性能差的材料称为不良导体。一般来说，金属的导热系数比非金属的要大，固体的导热系数比液体的要大，气体的导热系数最小。因为材料的导热系数不仅随温度、压力变化，而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响导热系数的数值，所以在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。 一．实验目的 1．用稳态平板法测量材料的导热系数。 2．利用稳态法测定铝合金棒的导热系数，分析用稳态法测定不良导体导热系数存在的缺点。 二．实验原理 热传导是热量传递过程中的一种方式，导热系数是描述物体导热性能的物理量。单位时间内通过某一截面积的热量dQ/dt 是一个无法直接测定的量，我们设法将这个量转化为较容易测量的量。为了维持一个恒定的温度梯度分布，必须不断地给高温侧铜板加热，热量通过样品传到低温侧铜板，低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。单位时间通过截面的热流量为： 当加热速率、传热速率与散热速率相等时，系统就达到一个动态平衡，称之为稳态，此时低温侧铜板的散热速率就是样品内的传热速率。这样，只要测量低温侧
铜板在稳态温度 T2 下散热的速率，也就间接测量出了样品内的传热速率。但是，铜板的散热速率也不易测量，还需要进一步作参量转换，我们知道，铜板的散热速率与冷却速率（温度变化率）dQ/dt=-mcdT/dt 式中的 m 为铜板的质量， C 为铜板的比热容，负号表示热量向低温方向传递。 由于质量容易直接测量，C 为常量，这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。铜板的冷却速率可以这样测量：在达到稳态后，移去样品，用加热铜板直接对下铜板加热，使其温度高于稳态温度 T2（大约高出 10℃左右），再让其在环境中自然冷却，直到温度低于 T2，测出 温度在大于T2到小于T2区间中随时间的变化关系，描绘出 T —t 曲线（见图 2），曲线在T2处的斜率就是铜板在稳态温度时T2下的冷却速率。 应该注意的是，这样得出的 t T ??是铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率， 其散热面积为 2πRp2+2πRphp （其中 Rp 和 hp 分别是下铜板的半径和厚度），然而， 设样品截面半径为R ，在实验中稳态传热时，铜板的上表面（面积为 πRp2）是被 样品全部（R=Rp ）或部分（R
