传热实验说明书

传 热 实 验
1 实验目的
1.1 测定套管换热器中空气—水系统的传热系数及；
1.2 测定不同的热空气流量时，Nu 与Re 之间的关系，并得到准数方程式； 1.3 了解并掌握热电偶的使用及其温度测量。

2 基本原理
2.1 测定传热系数K
根据传热速率方程式
m
t KA Q ∆= （1） m
t A Q K ∆=
（2）
实验时，若能测定或确定Q 、t m 和A ，则可测定K 。

（1）传热速率
在不考虑热损失的条件下
)(21T T c m Q p s -= （3） 式中：s m —空气的质量流量，kg/s ，S s V m ρ=，S V 为空气的容积流量，
m 3/s ，ρ为空气的密度，kg/m 3；
p c —空气的定压比热，J/(kg ·K)； 21,T T —空气的进、出口温度，℃。

（2）传热推动力t m
2
121ln t t t t t m ∆∆∆-∆=
∆ （4）
式中：211t T t -=∆，2t —冷却水出口温度，℃
122t T t -=∆，1t —冷却水进口温度，℃
（3）传热面积
dL A π= （5）
式中：L —传热管长度，m ； d —传热管内径，m 。

2.2 求Nu 与Re 的定量关系式
由因次分析法可知，空气在圆形直管中强制湍流时的传热膜系数符合下列准数关联式：
n
A Nu (Re)
=
或 n
du A d
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛=μ
ρ
λα （6） 式中：A ，n —待定系数及指数；
λ—定性温度下空气的导热系数，W/(m ·K);
u —空气的流速,m/s, 2
785.0d
V u S =
;
μ—空气的粘度,kg/(m ·s);
α—管壁对空气的传热膜系数,W/(m 2
·K)。

在水—空气换热系统中，若忽略管壁与污垢的热阻，则总传热系数K 与传热膜系数α的关系为:
2
1
1
1
1αα+
≈K
式中：1α—管壁对水的传热膜系数,W/(m 2·K)
2α—管壁对空气的传热膜系数,W/(m 2
·K)
本实验中保持水在套管环隙间的高速流动，且由于水的比热较大，因此水的进、出口温度变化很小，管壁对水的传热系数较管壁对空气的传热系数大得多，即21αα>>，这样总传热系数近似等于管壁对空气的传热系数：
α
α=≈2K
实验中通过调节空气的流量，测得对应的传热系数，然后将实验数据整理为Re及Nu，再将所得的一系列Nu-Re数据，通过用双对数坐标纸作图或回归分析法求得待定系数A和指数n，进而得到准数方程式。

1.加热器风机 2-空气流量计 3,4,5,12,13-铜电阻测温探头压力计 6-空气流量调节阀 7-风机
8,9-压力(差)计 11-水流量调节阀 14,15套管换热器16,17,18,19,20-温度显示仪
21总电源开关 22,23-加热器开关 24-风机开关
图1 空气—水系统传热实验装置
3 装置与流程
实验装置由加热器1、夹套换热器14、15、风机7和流量计2、10等组成，如图1所示。

换热器的内管14为φ30×2mm的铜管,有效长度为2000mm。

由风机7送入风管的冷空气经电加热器1加热后，进入套管换热器的内管14。

与环隙内的冷却水换热后排至大气中。

系统内，空气流量玻璃转子流量计测量。

进出换热器的水和空气的温度分别用铜电阻测温探头3、4、5、12、13和玻璃管温度计测定，并在数字显示仪16、17、18、19、20上读取。

4 操作步骤
4.1 实验准备
（1）在使用本设备前应了解设备的基本结构（设备的基本结构如图1所示），并按正确的操作方法使用设备。

（2）实验前检查进水、进风、是否控制正常，并进行设备预热。

4.2 预热操作
（1）开启控制柜总电源21，调整温度控制仪18的控制温度（将温控仪设定-测量开关调至设定位置，设定80°C；然后将温控仪设定-测量开关调至测量位；温控仪将以80°C为均值进行自动控制）。

（2）开启风机电源开关24，调节风量阀门4将进风流量调节至流量计2的中间读数位，开启电加热器Ⅰ开关22（温度控制仪控制加热器Ⅰ，加热Ⅱ是手控制、备用加热用，如特别寒冷地区或耗热量大等）。

（3）开启冷却水阀门11，调节水的流量至流量计10的中间读数位；观察各温度仪表变化，使温度缓慢上升逐步加热设备各部分，待温度稳定后方可进行正常操作。

4.3 实验操作
（1）经预热稳定后，调整进风流量，即可读取空气流量，计前表压，空气和冷却水的进、出口测点的温度值。

实验从大风量做起，共测6～8组不同风量的实验数据。

（2）操作中应注意：勿将进风调节阀关闭，以免造成风机损坏；勿在没有空气流量的情况下加热空气，以免造成加热器的损坏。

4.4 关机操作
先关闭电加热电源，然后调大风量经10分钟以上，待设备温度降至30°C 以下再关闭风机电源开关和冷却水阀门及总电源，以保证设备及实验室安全。

5 实验记录与数据处理
5.1 数据记录
参见表1
表1 传热实验数据记录表
管内径： mm 管长： m；
5.2 数据处理
将所测得的空气流量换算为m3/s单位，然后计算其密度，在用前述式（1）～（6）计算出Re和Nu并作图或回归出Re-Nu方程。

5.3 实例
按上述实验步骤测得8组数据如表2所示。

表2 传热实验数据记录表(实例附表)
管内径：0.026 m 管长： 2 m；
室温：25 ℃当地大气压：（760） Pa（mmHg）
以第1组数据为例，计算过程如下：
s
m V V S / 011.03600
403600
3
==
=
空气密度
3
1
/ 05.1760
7603278
273273293.1273273m
kg p p p T a
j =+⨯
+⨯
=++=ρρ
空气质量流量
s kg V m S s / 0116.0011.005.1=⨯==ρ
热负荷Q
J T T c m Q p s 4.421)4278(10090116.0)(21=-⨯⨯=-=
平均温差
℃ 3.354
.19422678ln
)
4.1942()2678(ln 2
121=-----=
∆∆∆-∆=
∆t t t t t m
换热面积
2
163.02026.014.3m
dL A =⨯⨯==π
传热系数
图2 Re -Nu 曲线
N u
Re
)( 23.733
.35163.04.4212
K m W/t A Q K m
⋅=⨯=
∆=
于是得雷诺准数
32829510
202607850051011078505
.....d .V du Re S =⨯⨯⨯⨯=
=
=
-μ
ρμ
ρ
努塞尔特准数 47
.6303
.0026
.023.73=⨯=
≈
=
λ
λ
αKd
d Nu
按以上步骤可计算得其他各组数据的的Re 、Nu ，作Re -Nu 曲线如图2所示，并得回归方程如下：
795001940.Re .Nu = 6 实验报告
6.1 将原始实验数据列成表格；
6.2 定量分析总传热系数K 与空气流速的关系； 6.3 将空气的传热系数整理成n A Nu (Re)=准数方程． 7 思考题
7.1 影响总传热系数火的因素有哪些?
7.2 在本实验条件下，进一步地提高冷却水的用量，是否能达到有效强化传热过程的目的?
7.3 影响传热膜系数α的因素有哪些?使用α的准数关系式时要注意些什么?。