实验指导书(空气沿横置圆管表面自然对流平均换热系数的测定).doc

空气沿横置圆管表面自然对流
平均换热系数的测定实验
一、实验目的及要求

1．目的
（1）学习在自然对流实验台上研究空气沿横置圆管表面自然对流换热的方法。
（2）测定空气沿横置圆管表面自然对流时的平均换热系数α 。
（3）将实验数据整理成准则方程，从而掌握空气沿横置圆管表面自然对流换热的规律。
2．要求
（1）充分理解实验原理。
（2）必须懂得在实验中应记录哪些量。
（3）能独立地将测量数据整理成准则方程，正确区分实验法确定换热系数的两种方法的优、缺点以及适用范围，从而巩固课堂上学过的知识。

二、实验原理

影响自然对流的换热系数α 的五大因素有：
1．由流体冷、热各部分的密度差产生的浮升力；
2．流体流动的状态；
3．流体的热物性；
4．换热壁面的热状态；
5．换热壁面的几何因素；
依据相似理论，它们之间的关系包含在准则方程

之中。由于本实验中介质为空气，其物性随温度的变化较小，空气的Pr值随温度的变化不大，Pr≈0.72，故相应的准则方程可简化为：
Nuf= f (Grf )

对流换热问题的准则函数形式，通常采取指数函数的形式表示：

Nuf= c Grf n

式中：Nuf——努谢尔特准则 Nuf=
Grf——葛拉晓夫准则 Grf =
系数c，上标n —— 均为需通过实验来确定的常数。

上述各准则中，有关的物理量及其单位分别为：
α —— 对流换热系数 W/（m2·Κ）
D —— 实验单管外径 m
λ —— 空气的导热系数 W/（m·Κ）
β —— 介质的膨胀系数 K-1
g —— 重力加速度 m / s2
Δt —— 介质和管壁表面之间的温差 K
ν —— 运动粘性系数 m2 / s

下标f —— 表示各准则以流体介质在物体边界层以外处的温度tf为定性温度。
要通过试验确定空气横向掠过单管时Nuf与Grf的关系，就要求葛拉晓夫数Grf有较大范围的变动才能保证求得的准则方程式的准确性。改变葛拉晓夫数Grf可以通过改变温度（Δt）及管子直径（D）来达到。

测量的基本量为空气温度tf，管子表面温度tw及管子表面散出的热量Q。

三、实验设备

整套实验装置由实验台、控制箱、电脑三大部分组成。
实验台上悬挂有试件（四种直径单根圆管），试件内装有电加热管，两端装有绝热盖（计算中略去轴向热损失）。试件上有热电偶嵌入管壁，所有单圆管中央的热电偶均与控温仪连接，防止温度过高烧毁试件；沿管子圆周均匀分布热电偶均与巡检仪连接可直接显示管壁各个测点的温度。A、B、C、D管管壁的测温热电偶数分别为4、4、6、8个。试件结构如图一所示

图一、试件结构示意图

1.加热导线 2.接线柱 3.绝热盖 4.绝缘法兰 5.绝热泡沫垫 6.绝热体 7.实验管 8.管腔 9.加热管 10.热电偶

控制箱内有稳压器可稳定输出电压，使其加到单管上的热量保持一定，并设置电压调节装置以改变加热量从而改变实验管壁面温度。电压、电流表分别显示电加热器的电压和电流；巡检仪可显示单圆管壁面温度、实际电流、电压、室内温度。见图二：

图三、控制箱

1——D4=80mm测温琴键开关 2——D3=60mm测温琴键开关 3——D2=40mm测温琴键开关 4——D1=20mm测温琴键开关
5、25—D4=80mm加热接线柱 6、24—D3=60mm加热接线柱
7、23—D2=40mm加热接线柱 8、22—D1=20mm加热接线柱
9—16点万能信号输入巡检仪 10————输出显示电压表 11————高温保护温控仪 14——热电偶接线柱组 (32对) 12—D1=20mm输出显示加热电流表 13—D2=40mm输出显示加热电流表 15—D3=60mm输出显示加热电流表 16—D4=80mm输出显示加热电流表17————D1=20mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管
18————D2=40mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管
19————D3=60mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管 20————D4=80mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管 21————计算机采集RS232接口。
电脑可显示并自动记录单圆管壁面温度、实际电流、电压、室内温度，通过数据分析，很容易判断系统是否达到稳定工况；它还可自动运算和描绘出图线。

四、实验步骤

1．熟悉实验装置，连接电源线路和测量仪表线路，经指导教师检查确认无误后选择实验圆管，按下相应琴键开关，打开加热开关，调整调压旋钮开始加热，并保持电压不变。
2．当圆管各测温点温度在10~15分钟不变时，认为管壁温度已稳定，此时为第一个稳定工况，可记录各测点温度，并同时记录电流I和电压U的数值以及离实验管1米外室温tf。此过程计算机自动完成。
3．调整调压旋钮将电压调高至某一数值后保持不变，待各个测点温度稳定后，记录第二个稳定工况的上述各实验数据。
4．完成4个工况后，一组实验完成。
5、选择其他管径圆管，重复上述过程，四组实验完成后，实验结束。

五、实验记录
附表一：试验原始数据记录

待 测 或 已 知 物 理 量
单位
第一组
第二组
第三组
第四组
试管尺寸
外 径 D
m
0.02
0.04
0.06
0.08
有效长度L
m
1
1.2
1.4
1.6
散热面积F＝πDL
m2

允许最大功率
W
1200
800
600
300
黑度

0.15
0.15
0.15
0.11
绝对黑体辐射系数C0
W/m2K4
5.669
5.669
5.669
5.669
参 数
公式及符号
单位
工况

1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
大气温度
tf
℃

管壁温度
tw
℃

电流
I
A

电压
U
V

附表二: 实验管壁温度记录

实验工况
实验管壁温度℃
管径D
1
2
3
4
5
6
7
8
平均（tw）
1

2

3

4

六、实验数据的整理

附表三：各工况数据处理

工况
组 列
第 一 组
第 二 组
第 三 组
第 四 组
参 数
计算式
单位

1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
定性温度
tf

导热系数
λf
根据tf查
W/(m·k)

膨胀系数
βf
βf = 1/(273.5 + t f)
K-1

运动粘度
νf
根据tf查
m2/s

加热量
Q
Q=IU
W

辐射换热热流量
Qr=ε·C0 F[()4-()4]
W

对流换热热流量
Qc=Q-Qr
W

换热系数α
α=
W/(m2·k)

努谢特数Nuf
Nu=

葛拉晓夫数Grf
Grf =

式中：Qc —— 对流换热量
tw —— 单管壁面的平均温度
tf —— 实验单管前后空气的平均温度
F —— 实验单管的对流换热面积
1．对流换热系数α （经验法）

对铜管进行电加热，高温铜管对空气的热传递过程，是既有辐射又有对流换热的复杂换热过程。
由高温铜管传递给空气的对流换热系流量和辐射换热的热流量公式分别为：

Qc= α F (tw－tf ) [W]
Qr =εC0 F [()4— ()4] [ W ]

二者传递的总热流量为：

Q=Qc+Qr=IU [ W ]

Qc = Q－Qr = IU－ε C0 F [()4－()4] [ W ]

因此：
α = = {IU－ε C0 F [()4－()4]}/ (tw－tf ) F
2．确定准则方程式（半经验法）

待定方程 Nuf= c Grf n
取对数得 lgNuf = lgc + nlgGrf
以室温tf为定性温度算出各实验点的Nuf及Grf数值， lgNuf作为纵坐标, lgGrf作为横坐标，描绘在对数坐标图上，并计算出相应的c和n值，带入指数方程, 写出准则方程式。
式中: lgNuf 与lgGrf ---------分别为纵坐标与横坐标
lgc-------直线方程的纵截距
n = tgφ----直线的斜率

预习思考题
1．每根实验管段上都有几个测温热电偶？它们沿管子圆周均匀分布有什么意义？
2．如室内有风，对实验有何影响？
3．水平放置和竖直的圆管，它们的定型尺寸有何不同？
复习思考题：

1．以本实验为例，试述相似理论在自然对流换热实验研究中的应用。
2．你对本实验装置有什么改进的意见？
实验内容包括学习在自然对流实验台上研究空气沿横置圆管表面自然对流换热的方法,测定空气沿横置圆管表面自然对流的平均换热系数α,将实验数据整理成准则方程。
要求充分理解实验原理。必须懂得在实验中应记录哪些量。能独立地将测量数据整理成准则方程，从而巩固课堂上学过的知识。
本实验所涉及的课程知识面广,牵涉到对流换热原理,各种对流换热过程的特征及其计算公式,辐射换热等三个章节的内容.
请大家认真预习实验指导书和课本有关章节，仔细领会指导书表达的中心意思，这样做实验才心中有数，不会浪费时间。
实验报告里预习思考题和复习思考题都要做。
搞清楚实验法求换热系数的两种方法的区别，特点，以及这个实验的最终目的。准则方程是什么意思，它和经验法，半经验法有什么关系。实验报告做到那一步才算是理解了这个实验。公式是给同学们运算用的，不要像前几届的部分同学，把公式罗列给老师，表格摆放在那里，让老师运算。
实验报告上实验课程名称按课本名称写，实验项目名称按实验指导书上的名称写。