试验三空气-水对流给热系数测定

实验三空气－水对流给热系数测定

一、实验目的

1. 测定套管换热器中空气—水系统的传热系数；

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；

二、基本原理

1. 测定传热系数K

根据传热速率方程式

（1）

（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

（3）

式中：—空气的质量流量，kg/s，，为空气的容积流量，m3/s，ρ为空气的密度，kg/m3；

—空气的定压比热，J/(kg·K)；

—空气的进、出口温度，℃。

（2）传热推动力t m

（4）

式中：，—冷却水出口温度，℃

，—冷却水进口温度，℃

（3）传热面积

（5）

式中：L—传热管长度，m ；

d—传热管内径，m 。

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：

或（6）式中：A，n—待定系数及指数；

—定性温度下空气的导热系数，W/(m·K);

—空气的流速,m/s, ;

μ—空气的粘度,kg/(m·s);

—管壁对空气的传热膜系数,W/(m2·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与传热膜系数的关系为:

式中：—管壁对水的传热膜系数,W/(m2·K)

—管壁对空气的传热系数,W/(m2·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，这样总传热系数近似等于管壁对空气的传热系数：

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。

三、实验装置

如图1所示，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。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，空气流量由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。

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；10流量计；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

四、实验步骤

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。

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。

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．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。

五、实验记录与数据处理

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；

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。

六、实验报告

1．将原始实验数据列成表格；

2．定量分析总传热系数K与空气流速的关系；

3．将空气的传热系数整理成准数方程．

七、思考题

1．影响总传热系数K的因素有哪些?

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?

3．影响传热系数的因素有哪些?使用的准数关系式时要注意些什么?