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 一水系统的传热系数；
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
Q 二竺 K=-^-
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：：；一空气的质量流量，kg/s , ；
为空气的容积流量，m 3/s , p
为空气的密度，kg/m 3;
[:—空气的定压比热，J/(kg K); .〔二一空气的进、出口温度，C 。
(2) 传热推动力t m
(4)
In —
込
式中：-- [ I ，[—冷却水出口温度，c =
- •[，「一
冷却水进口温度，c
(3) 传热面积
A 二 TidL
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:
——=A
—空气的流速,m/s, > ,
厂空气的粘度,kg/(m s >;
住一管壁对空气的传热膜系数，W/(m 2 K)。
在水一空气换热系统中，若忽略管壁与污垢的热阻， 则总传热系数K 与传热膜系数 二的
关系为：
1 1 1
—m — + — K % 禺
式中：[—管壁对水的传热膜系数，W/(m 2 K) [—管
壁对空气的传热系数,W/(m 2 K)
(1) (2)
(5)
(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);
%
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，即询，这样总
传热系数近似等于管壁对空气的传热系数： 1
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$ 30x 2mnm勺铜管，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
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空气一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H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。
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
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. 影响传热系数二的因素有哪些？使用二的准数关系式时要注意些什么？。