空气横掠管束时局部换热系数测定的实验研究

空气横掠管束时局部换热系数测定的实验研究一、摘要：流体横掠管束管束时的对流换热其换热系数除受到管径影响外，还受到管距、管排数和排列方式空气流速等因素的影响。由于相邻圆管的影响，流体在管间的流动截面交叉减少，流体在管间交替加减速，管距的大小影响流体流动截面的变化程度和流体加减速的程度，管束排列方式对换热系数h的影响比较明显。二、关键词：横掠管束；管束；换热系数；叉排；顺排；空气流速三、引言：在空气横掠管束时，从第二排起，后排圆管都处于前排圆管的尾流中。在尾流涡旋的作用下，后排圆管的对流换热系数h比前排高，第二排圆管受第一排尾部涡流的影响，h2＞h1；第三排圆管受第二排尾部涡流影响，且这种经第一排和第二排圆管的共同作用，扰动更强烈，所以h3＞h2。同理h4＞h3…，经过几排圆管以后扰动基本稳定，hx几乎不再变化。管束排列方式对h的影响比较明显。叉排时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲流道中流动，顺排时则流道相对平直。叉排和顺排，第一排圆管具有流体流过单管时的流动特性和换热特征。从第二排开始，顺排每排圆管面对来流的一面处于前排圆管的漩涡区，所受的冲击变弱，流动方向较为稳定；叉排时，由于流动方向的不断改变，虽然流动阻力大，但一般来说，叉排的平均换热系数要比顺排的大。四、实验装置：1、电源开关2、仪表开关3、交流供电开关4、交流调压旋钮5、直流大功率电源6、差压表7、交流功率表8、电流表9、电压表10、十六路温度巡检仪11、四路温度巡检仪12、毕托管13、风道14、热电偶（测来流温）15、热电偶16、管束试件（顺、叉排）17、交流0~220V（连续可调）供电电极18、变频器五、实验步骤：1、连接并检查所有线路和设备，在仪表正常工作后，打开风机后将交流供电源开关打开，调节旋钮先转至零位。2、调节交流电源输出功率对管束缓慢加热。为避免损坏配件，又能达到足够的测温准确度，加热功率大小的调整以使壁面温度控制在80℃以下为原则。参数稳定后，可读取试验数据。3、实验时对每一种排列的管束保持功率不变空气流速改变5次，每次改变参数后需待温度稳定后才进行记录，温度的高低根据圆管排列不同及风速大小适当调整，保持管壁与空气来流有适当的温差。4绘制折线图，观察分析管束排列方式及空气流速对传热系数的影响。六、实验公式及数据处理：流体横掠管束时的平均对流传热系数可按下式计算1,max2PrRePr()()PrfmnkpufffzwsNcccs式中：下脚标f—表示定性温度为,ft按来流温度计算，空气来流温度tf为室温Pr——普朗特数，上式适用于0.7＜Prf5001s——横向节距（m）2s——纵向节距（m）,maxRef——以流体平均温度下管间最大流速计算雷诺数,max0,maxRefffd。其中,maxf为流体平均温度下管间最大流速（m/s）0d——为圆管外径（m）c,m,n,k,p——系数和指数zc——管排修正系数c——流体斜向冲刷管束时的修正系数,maxf——如已知未进入管束时的流体速度0，则在流体入口温度下的最大流速为：顺排时'01max10ssd叉排时max为0110ssd和01'202()ssd中的最大者，其中'22122()2sss以叉排试件为例：采用十八根铜管排列，可先算出一根的换热系数管直径D=10mm管长为120mm空气来流速度um/s其中：–比托管测得空气的动压，(Pa)ρ–空气密度(Kg/m³)2、管壁温度tw由铜-康铜热电偶测得的热电势E（t1，tf），可按附录A确定内壁温度t1。试验中，由装在管内壁的热电偶测量管壁温度，直接由巡检仪读出。由于试验管为有内热源的圆筒形壁，且内壁绝热，因此，内壁温度t1大于外壁温度tw（根据管内温度可以计算外壁温度tw。由于所用管壁很薄，仅0.2-0.3mm，且空气对外管的换热系数较小，可近似认为tw=t1。3、加热圆管两端的电功率Q由控制面板上的功率表显示。显示功率为总加热功率，每一根加热管功率Q可由总功率除以加热管根数获得。4、气流过管外壁时的平均换热系数α=()wfQAttW/(m·℃)A—实验圆管外表面积㎡5、换热准则方程式将计算得到的某一流速下的每一根加热管的对流传热系数求和，再除以总根数，可得到管排的平均对流传热系数。十六根圆管的平均换热系数：根据每一试验工况所测得的值，可计算出相应的Re值。实验数据记录及处理如下表：顺排频率15Hz20Hz25Hz30Hz35Hz气压47pa63pa80pa104pa132pa功率57w57w57w57w57w组数130.729.628.227.426.9231.330.128.527.727.2331.530.328.727.927.4431.330.328.527.727.2529.328.326.726.125.7631.329.427.326.626.0731.028.926.926.125.5830.228.827.026.325.7931.930.528.527.727.11032.530.628.527.626.91133.231.229.128.127.41234.032.430.329.328.71332.130.328.527.426.71432.931.029.128.027.31532.730.828.827.726.91633.231.629.828.628.0叉排频率15Hz20Hz25Hz30Hz35Hz气压47pa63pa80pa104pa132pa功率57w57w57w57w57w组数132.929.127.426.726.1232.328.326.525.825.1332.628.626.826.125.3431.727.926.425.724.9531.227.525.825.224.7630.726.925.324.724.1731.127.325.725.224.5830.627.225.925.525.0929.625.924.524.023.41029.325.724.323.823.21129.526.124.824.423.81229.325.824.524.023.21329.226.324.323.823.61429.727.924.824.324.71531.727.126.225.624.11630.827.625.524.924.31731.627.725.825.124.51831.427.625.925.324.5七、实验分析：由上表中的数据可以看出管束顺排时，其空气来流速度u和最大流速Vmax在加热功率Q不变时随着风压P的增大而增大，在风压P不变时随着加热功率Q的增大而增大，但是P对u的影响比Q对u的影响相对较小；雷诺数Re在加热功率Q不变时随着风压P的增大而增大，在风压P不变时随着加热功率Q的增大而减小。管束叉排时，空气来流速度、最大流速Vmax和雷诺数Re的变化情况同顺排时相同。hw顺排Hw叉排47.9950.8354.9757.6559.4638.3746.4351.2453.5355.6646.5749.5054.0356.6158.3639.4648.5854.2256.7859.6046.1248.9953.4255.9457.6538.9147.7553.1955.6658.7746.5748.9954.0356.6158.3640.6049.7354.5757.1760.4651.6654.6560.2262.6164.3241.6050.9356.7859.1861.3446.5751.3858.0060.6163.0342.6652.8658.7761.3464.1547.2752.8259.4662.6165.2041.8151.5657.1759.1862.2549.2453.1259.0961.7964.3242.8851.8856.4057.9660.0345.2448.4954.0356.6158.7245.1856.4062.2564.6567.7843.9748.2454.0356.9659.4645.9257.1763.1965.6668.8942.5946.8152.2455.2957.6545.4355.6660.9062.7265.6641.1144.1848.9951.6653.4245.9256.7862.2564.6568.8944.8148.9954.0357.6560.2246.1854.9363.1965.6666.7043.1747.2752.2455.6258.0044.9449.7360.9063.1961.3443.5747.7553.1256.6159.4640.6052.2055.2957.5664.1542.5945.9050.2953.7255.6242.4450.6357.9660.4663.1940.8050.3256.7859.6062.2541.2050.6356.4058.7762.25lgRe4.534.594.654.704.765.015.075.125.185.23lgNu2.062.112.152.202.242.442.492.532.582.62由图可以看出管束顺排时，当加热功率Q保持不变，换热系数hx随着风压P的增大而减小，当风压P保持不变，换热系数hx随着加热功率P的增大而减小；管束叉排时，当加热功率Q保持不变，换热系数hx随着风压P的增大而增大，当风压P保持不变，换热系数hx随着加热功率P的增大而增大。两图中三条曲线各基本保持平行，说明无论是顺排还是叉排，Q不变时，P不会影响换热系数在管束中的改变趋势，P不变时，Q不会影响换热系数在管束中的改变趋势。由以上五图和数据表可以看出当雷诺数Re较小时，顺排管束的换热系数小于叉排的换热系数，也就是顺排管束的换热效率低于叉排，当雷诺数Re较大时，顺排的换热效率优于叉排；在相同工况的条件下，叉排管束的换热系数比顺排的高，说明叉排的换热效果比顺排的好，原因可能是由于换热管束的约束，叉排热交换器管后漩涡比顺排热交换器后涡旋小很多，所以叉排换热器的换热能力高于顺排换热器。在比较空气在管束中的速度变化可以看出，叉排虽然换热较好，但有较大的阻力。因此，在高速度的空气特别是固液气固两相流体冲刷时可能会对管束造成损害，影响传热效率与安全因素。而在较小雷诺数时采用叉排可以增加换热效率。一般来说，换热器的管束排列形式一般都是叉排，顺排非常少见。由于顺排形式的套片式换热器通常比叉排的流动阻力更小，因而对一些流动阻力有限制的场合，可以考虑使用顺排形式的套片式换热器。参考文献：1、杨世铭《传热学》第四版，高等教育出版社，2006年8月；2、《热工理论基础实验》，长沙理工大学，2008年3月；3、孔珑《流体力学1》，高等教育出版社，北京，2000年