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实验四 　MS管内对流换热实验

一、实验目的
1、了解对流换热实验的一般方法和了解如何建立对流换热的经验关系式；
2、了解相似理论对实验的指导作用；
3、熟悉测温、测速的基本方法；
4、了解计算机在热工测量中的应用。

二、实验原理
传热学的发展是建立在实验基础上的，通过理论和实验相结合的分析方法来描述传热现象的各种因素对传热能力影响作用。由于各种原因，一些传热现象不能用数学方法描述，或者描述该问题的微分方程组无法求解，而工程师又需要得到这种情况下的实用的结果来解决实际问题。这种实用的结果就要通过传热学的实验来得到。
传热学实验大部分是在与实际问题相似的实验模型上取得大量的实验数据，然后将实验结果与实际问题联系起来，这就需要应用相似理论使得实验结果可以应用到实际问题中去。经过相似理论分析，描述传热的关系式可以用合理的无量纲相似准则数组合来表示。无量纲准则数的形式可以通过对描述换热的微分方程组进行无因次化得到。（请参考传热学）
根据相似原理，流体在圆管内湍流流动强制对流换热时，其准则方程式的一般形式为
Nuf＝f（Ref，Pr f）
通常这三个准则数之间具有如下的函数关系
Nuf＝C Refm·Prfn
为确定上式中的参数C、m和n，我们需要进行一定量的实验来测量Nuf 、Ref和Pr f，这些准则数都是对流换热系数、温度、速度、比容、特征尺度以及一些物性参数的组合，因此需要通过间接测量才能得到。然后对实验测得的Nuf 、Ref和Pr f进行数学处理和分析得到常数C和指数m、n。

三、实验装置、测试仪器
本实验的主要设备为对流换热实验台。实验件为光滑的不锈钢圆管（1Cr18Ni9Ti），通过在管外壁上布置测温热电偶进行温度的测量。管子两侧同一大电流电源相连，对管子进行加热，加热方式为等热流方式。管内介质水由一台小型清水泵提供，通过调节阀门可以改变流量的大小，从而改变雷诺数Ref。冷却水进出口温度由安装在管子进出口处的测温热电偶进行测量。
整个实验台分为：水路系统、试件箱、加热系统、温度测量系统四个部分。
水路系统用来为实验提供不同流量的对流换热介质——水，主要包括：水箱、水泵、分流管、流量计、散热器和一些阀门组成。水箱用来储存实验用水；水泵用来驱动水流过试件管；分流管用来改变流过试件的水的流量，改变分流管上的阀门开度使水泵抽出的水一部分流回到水箱，改变流过试件的水的流量；流量计用来测量流过试件的水的流量，也可通过流量计后的阀门对试件水流量进行微调；散热器用来将水换热得到的热量散到室外，达到循环利用水的目的。
图1 管内对流换热实验测量系统

试件箱内装有不锈钢圆管试件，试件通过岩棉保温层同外界绝热。试件的进出口装有测量水进出口温度的热电偶。试件两端通过电绝缘材料同水路系统连接，试件两端还通过加热电极同加热部分连接。试件上焊有热电偶用来测量管子的壁温。热电偶的布置会影响实验的精度，一般在温度变化剧烈的位置上多布置几组热电偶，最后通过加权平均得到整个管子长度上的平均温度。
加热系统由大电流加热电源、电压表、电流表、加热电极和导线组成。加热电极安装在不锈钢管的两端；电压表和电流表用来测量加热的电压和电流，通过计算得到加热量。
温度测量系统包括热电偶、亚当模块、计算机组成，热电偶用来测量水进出口的温度和不锈钢管的壁温。亚当模块将热电偶产生的模拟信号转变为数字信号并送入计算机，同时亚当模块具有多通道选择功能和冷端补偿功能，可以多路热电偶共用一个亚当模块。计算机通过数据采集程序将亚当模块送过来的数字信号进行转换、储存和显示。
四、参数测量
1、努赛尔数　　Nuf＝
式中　d——圆管的内径
λｆ——水的导热系数，可由定性温度tf＝（tf’+tf”）/2查表得到。
h——平均对流换热系数，其计算式为

式中Q为加热电源的功率，Q=UI，U为加热电压，I为加热电流；L为实验段不锈钢管的长度，为介质水的定性温度。为平均壁温，由热电偶在试件上的位置按面积加权平均求得

wi为热电偶测温点的权重，ti为热电偶测得的温度。
2、雷诺数
式中 m——介质水的质量流量，可由流量计直接读出。
μf——水的动力粘度系数利用定性温度可以查得。
3、普朗特数 Pr＝
式中　Ｃp——水的定压比热容
五、实验步骤
1、在管子外壁上焊接测温热电偶（焊接时同样要注意不要把管壁焊穿）。测温热电偶焊接的位置自定，但距离要适当，不要过于集中到某一段。同时记录下各个热电偶的焊接位置，作为温度的加权。
2、将不锈钢管放入试件箱中适当位置，然后分别接好出入水管和测量水进出口温度的热电偶。
3、在不锈钢管两端安装加热电极。将热电偶线从保温盒的圆孔中穿出，分别接到亚当模块上，记录连接到亚当上的通道。为方便记录和处理数据，最好按一定顺序连接热电偶线。
4、检查是否有连接不当的地方，如果没有便将分流管的阀门完全打开，关闭量程大的流量计前后的阀门，开启量程小的流量计的前后阀门，准备实验。
5、按下列顺序打开设备电源：开总电源，开水泵电源，检查水路系统有没有漏水，若没有可将保温材料装好，将试件箱的盖子盖好，开加热器，开计算机。
6、在教师的指导下调出温度测量程序。
7、调节分流管阀门和流量计出口处阀门，使冷却水达到所需要的流量（根据所需雷诺数来确定，雷诺数要求大于104）。注意当流量超过300L/h时可换用大量程的流量计（流量也可再大一些但不要超过630L/h）。
8、待管壁温度趋于稳定时记录下各实验数据，然后改变雷诺数重复几组实验。
9、关闭加热器电源，等5分钟后再关闭水泵的电源。
10、待水流净后可将不锈钢管拆下。
11、全部实验结束后，关闭所有阀门与电源，整理实验台。

六、注意事项
1、注意实验中拆装不锈钢管时不要有水流到实验台上，更不要弄湿电源线。
2、热电偶的焊接要在教师的指导下进行。
3、开水泵前一定要把分流管阀门完全打开。
4、在使用小量程的流量计时，注意不要超出流量计的测量范围。
5、有问题及时报告指导教师。

七、书写实验报告并回答下列问题
1、实验前在预习报告中做好实验数据记录表格。
2、分析造成实验误差的影响因素，说明那些影响因素可以通过改进设计和实验方法来减小或消除。
3、如何测量管内某一截面处的局部对流换热系数。
4、画出壁温沿管长的分布曲线并根据实验情况解释。
5、画出随的变化曲线。

八、实验报告内容及格式
1、实验目的
2、实验内容
3、实验原理（实验系统图）
4、实验步骤
5、实验结果与分析（包括实验数据记录表格、数据处理、数据曲线）
6、思考题解答