传热学实验2 空气横掠单管时平均换热系数的测定.doc

空气横掠单管时平均换热系数的测定
热交换器中广泛使用各种管子作为传热元件，其外侧通常为流体横向掠过管子的强制对流换热方式，因此测定流体横向掠过管子时的平均换热系数是传热中的基本试验。本实验是测定空气横向掠过单圆管时的平均换热系数。
一、 实验目的及要求
1．了解实验装置、熟悉空气流速及管壁温度的测量方法，掌握测试仪器、仪表的使用方法；
2．通过对实验数据的综合、整理，掌握强制对流换热实验数据整理的方法；
3．了解空气横掠管子时的换热规律。
二、 基本原理
根据对流换热的分析，稳定受迫对流的换热规律可用下列准则关系式来表示：
（1）
对于空气，温度变化范围又不大，上式中的普朗特数变化很小，可作为常数看待。故上式简化为：
（2）
努谢尔特数：

雷诺数：

其中：――空气横掠单管时的平均换热系数，；
――来流空气的速度，；
D――定型尺寸，取管子外径，；
――空气的导热系数，；
――空气的运动粘度，
要通过实验确定空气横向掠过单管时与的关系，就要求实验中雷诺数有较大范围的变化，才能保证求得的准则方程式的准确性改变雷诺数可以通过改变空气流速及管子直径D来达到。改变流速受风机压头及风量的限制。本实验采用不同直径的管子作实验管，并在不同的空气速度条件下进行实验，就可以达到较大范围的变化。
因此要对不同直径的管子进行实验，测量的基本量为：管口的空气流速、空气温度、管子表面的温度及管子表面散出的热量。然后将全部实验结果整理在一起，以求得换热准则关系的具体表达式。
三、实验装置及测量系统
实验装置本体是由风源和实验段构成。
风源为一箱式风洞，似一个工作台。风机、稳压箱、收缩口都设置在箱体内。风箱中央为空气出风口，形成一有均匀流速的空气射流。实验段的风道直接放置在出风口上。风机吸入口有一调节风门，可以改变实验段风道中的空气流速。
图1为测定空气横掠单管平均换热系数的实验段简图。

图1 实验段
实验段风道1由有机玻璃制成。实验管2为不锈钢薄壁管，横置于风道中间。为了保证管子加热量测量及管壁温度测量的准确性，管子用低压直流电直接通电加热。管子两端经接座与电源导板3连接，并易于更换不同直径的实验管。为了准确测定实验管上的加热功率，在离管端一定距离处焊有二个电压测点a、b，以排除管子两端的影响。铜－康铜热电偶5设置在管内，在绝热条件下准确地测量出管内壁温度，然后确定出管外壁温度。
图2为该实验装置及其测量系统简图。

图2 测定空气横掠单管平均换热系数的试验装置简图
1.电源 2风源 3倾斜式微压计 4.毕托管
5.电位差计 6.转换开关 7. 热电偶冷端 8.热电偶热端
实验管加热用的低压大电流直流电由硅整流电源1供给，调节整流电源输出电压可改变对管子的加热功率。电路中串联一个标准电阻，测量标准电阻上的电压降，可以确定流过不锈钢管的电流量，电流值由整流电源上的电流表读出。实验管两测压点a，b间的电压用电位差计测量。由于受电位差计量程限制，测量a，b间电压的电路中接入分压箱。
为了简化测量系统，测量管内壁温度的热电偶，其参考点温度不是摄氏零度，而是空气温度。即热电偶的热端8设在管内，冷端7则放在风道空气流中。所以热电偶反映的为管内壁温度与空气温度之差的热电势，经过转换开关，用电位差计测量。
风道上装有毕托管4，通过倾斜式微压计3测出试验段中的空气流的动压，以确定实验段中空气流的流速。
空气流的温度用水银温度计测量。
四、实验步骤
1．联接并检查所有线路和设备。将硅整流电源电压调节旋钮转至零位。然后接通风机电源，调节风门至最大风量。再接通整流电源，将电流调到指定的参考值。将微压计、热电偶读数稳定后即可测量各有关数据。
2．保持加热功率基本不变，调风门关小，稳定后又可测到一组数据。实验时对每一种直径的管子，空气流速可调整4－5个工况。加热电流及电压可保持不变，亦可根据管子直径及风速大小适当调整，保持管壁与空气间有适当的温差。每调整一个工况，须待微压计、热电偶读数等稳定后方能测量各有关数据。
五、实验数据的计算与整理
实验用不锈钢管：
共六根直径D＝2.5～7.3mm范围
管长为160mm
测压点a ,b间距离约100mm。
1． 空气来流速度（详见附录A）
（3）
其中：⊿h――毕托管测得空气流的动压，；
――空气密度，
2． 管壁温度
实验管为有内热源的圆筒形壁，且内壁绝热，因此，内壁温度大于外壁温度。（根据管内温度可以计算外壁温度）。由于所用管壁很薄，仅0.2～0.3mm，且空气对管外的换热系数较小，可足够准确地认为＝。
3． 流过试验管的电流
标准电阻为50A/75mV,所以测得标准电阻上每的电压降等于电流流过，即：
（4）
其中：――标准电阻两端的电压降，。
4． 实验管工作段a ,b间的电压降
（5）
其中：――分压箱倍率，＝201；
V2――a ,b间电压经分压箱后测得的值，。
5． 试验管工作段a ,b间的发热量
（6）
6． 空气流对管外壁的平均换热系数
（7）
其中：A――电压测点a ,b间实验管的外表面积，。
7. 换热准则方程式
根据每一实验工况所测得的值，可计算出相应的值及值。在双对数坐标纸上，以为纵轴，为横轴，将各工况点绘出，它们的规律可近似地用一条直线表示：
（8）
则和之间的关系可近似表示为一指数方程的形式：
（9）
其中
如用：；,则可表示成：

根据最小二乘法原理，系数及可按下式计算：

其中：――实验的数目；
；
；
在计算及时，所用的空气物性参数、，以边界层的平均温度为定性温度，查有关表格。
六、实验报告要求及注意事项
实验报告要求：
1．在双对数坐标纸上绘出各实验点，并用最小二乘法求出准则方程式。
2．将实验结果与有关参考书给出的空气横掠单管时换热的准则方程式与线图进行比较。
注意事项：
1．首先了解整个实验装置各个部分，并熟悉仪表的使用，特别是电位差计必须按操作步骤使用，以免损坏仪器。
2．为确保管壁温度不致超过允许的范围，启动及工况改变时都必须注意操作顺序。启动时必须先开风机，调整风速，然后对实验管通电加热，并调整到要求的工况。注意电流表上的读数，不允许超过工作电流参考值。实验完毕时，必须先关加热电源，待试件冷却后，再关风机。