冶传实验三

实验三空气纵掠平板时局部换热系数的测定一、实验目的1、了解实验装置的原理，测量系统及测试方法。2、通过对实验数据的整理，了解沿平板局部换热系数的变化规律。3、分析换热系数变化的原因，以加深对对流换热的认识。二、实验原理强制对流换热是工程实际中最常遇到的传热学问题，有着广泛的应用。并且，强制对流换热系数是设备换热效率的重要指标，因此，测定对流换热系数有着工程实际意义。“热对流”是指流体中温度不同的各部分相互混合的宏观运动所引起的热量传递现象。由于引起流体宏观运动的原因不同，可以区分为自然对流换热和强制对流换热。严格地说，强制对流换热中不能排除自然对流换热的作用，只是因为它的影响远小于前者而不予考虑。流体纵掠平板是对流换热中最典型的问题，本实验通过测定空气纵掠平板时的局部换热系数，掌握对流换热的基本概念和规律。局部换热系数α由下式定义：)t(tqfW/（m2/·℃）其中：q—物体表面某处的热流密度W/m2t—相应点的表面温度℃tf—气流的温度℃1-风道2-平板3-不锈钢片4-热电偶5-电源导板6-热电偶换接件图3-1试验装置本试验装置上所用试件是一平板，纵向插入一风道中，板表面包履一簿层金属片，利用电流流过金属片对其加热，可以认为金属片表面具有恒定的热流密度。测定流过金属片的电流和其上的电压降即可准确地确定表面的热流密度。表面温度的变化直接反映出表面换热系数的大小。三、试验装置及测量系统图3-1为试验段简图，试验段从风道1中间插入一可滑动的板2，板表面包一层金属片3，金属片内表面设有热电偶4，沿纵向轴向不均匀地布置22对热电偶，它们通过热电偶接插件6与测温电位差计相联，片3的两端经电源导板与低压直流电源联结。图3-2为试验装置的原理图，整流电源1提供低压直流大电流，电流通过串联在电路中的标准电阻5上的电压降来测量，标准电阻5就安装在整流电源1内，其两端的输出线已连接好，电压降的大小用电位差计测量。片3两端的电压降亦用电位差计测量。为简化测量系统，测量平板壁温t的热电偶参考温度不用摄氏零度，而用冷空气流的温度tf，即其热端6设在板内，冷端7则放在风道气流中，所以热电偶反映的为温差t―tf的热电势E（t―tf）。为了能用一台电位差计测量热电偶毫伏值，标准电阻5上的电压降及片3两端的电压降，所测信号经过一转换开关再接入电位差计，在测量片两端电压降时，电路中接入一分压箱8（分压箱8就安装在转换开关内）。用毕托管12通过倾斜式微压计11测量掠过平板的气流动压，以确定空气流速。1、低压直流电源2、风源3、试验段风道4、平板试件5、标准电阻6、热电偶热端7、热电偶冷端8、分压箱9、转换开关10、电位差计11、微压计12、毕托管图3-2空气纵掠平板时局部换热系数的试验装置及测量系统四、试验步骤1、将整流电源1的输出线按正负极要求连接到平板试件3的结线端子上，用二条导线将平板试件3的结线端子连接到转换开关第一对输入端子上，用以测量平板试件3两端的电压降。2、将标准电阻5两端的输出线连接到转换开关第二对输入端子上，用以测量标准电阻5两端的电压降。3、将热电偶的热端（即接插件）和冷端按接线图要求连接到转换开关第三对输入端子上，通过旋转接插件旋钮，用以测量22对热电偶产生的热电势。4、用导线将转换开关的输出端子与电位差计未知端子相连接，通过旋转转换开关旋钮，分别测量平板试件3两端的电压降；标准电阻5两端的电压降；22对热电偶产生的热电势。5、调节检流计上的调零装置将检流计的指针调在零位置，打开电位差计电源开关，根据电压降的大小选择适当的倍率。首先旋转调零旋钮，使检流计的指针指在零位置；再将电键开关“K”扳向标准位置，旋转电流调节RP旋钮，使检流计的指针指在零位置；再将电键开关“K”扳向未知位置，旋转二个测量盘使检流计的指针再次指在零位置。二个测量盘读数之和乘上使用倍率，等于被测量的电压（电动势）值。测量完毕，倍率开关应放在“断”位置，电键开关“K”应放在中间位置。6、用乳胶管将毕托管全压管（既长尾巴管）与倾斜式微压计“＋”极相连接，毕托管静压管（即尾巴管）与倾斜式微压计“－”极相连接。调整毕托管使全压测孔一定要正对着气流方向。根据测量压力的大小把倾斜式微压计斜管固定到某一倍率上，调整倾斜式微压计底盘上的调节选钮，使水平泡处于正中位置，把开关扳向校准位置，左右旋转顶帽把管内酒精柱调到零或某一整数，再把开关扳向测压位置。倾斜式微压计就可以测量压力了。7、关闭风门，接通风机电源开关，待电机运转稳定后，再将风门调到所需开度。8、将平板放在适当位置上，整流电源调节手柄旋转至最小位置。再接通整流电源，并逐步提高输出电压（调节手柄旋转至所需位置），对平板缓慢加热，控制片温在80℃以下，可用手抚摸至无法忍受时为止。9、待热稳定后开始测量，从板前缘开始按热电偶编号，用电位差计测出其温差电势E(t-tf)，测量过程中，加热电流、电压及气流动压变动较小，可选择在整个实验过程的开始、中间、结束三个时间段测量三组数据取平均值；实验开始和实验结束各测一次室温，取其平均值作为室温。10、实验结束后，先将整流电源调节手柄旋转至最小使输出电压为零，再关闭整流电源。关闭电位差计电源。待风机将平板吹冷后再关闭风机电源。最后再整理实验设备。五、基本参数及有关计算公式板长L=0.33m板宽B=80×10-3m金属片宽b=65×10-3m金属片厚δ=1×10-3m金属片总长l=2L=0.66m热电偶编号1234567891011离板前缘距离Xmm002.557.51015202532.540热电偶编号1213141516171819202122离板前缘距离Xmm506075901101301601902202603001、金属片壁温t：所用测温热电偶为一康铜，以室温作为参考温度时，热端温度在50~80℃范围内变化时，热端冷端每1度温差产生的热电势输出可近似为0.043mv，因此测得反映温差(t―tf)的热电势E(t―tf)mv，即可求出温差，即(t―tf)=E(t―tf)/0.043℃。2、流过金属片的电流I：标准电阻为150A/75mv，所以测得标准电阻上每1mv电压降等于2A电流流过，即I=2×V1A其中：V1—标准电阻两端的电压降mv3、金属片两端的电压降V：V=T×V2×10-3V其中：T=201—分压箱倍率V2—经分压箱后测得的电压降mv4、空气流过平板的速度u：由毕托管测得气流动压头Δh,mmH2O柱，可按下式计算速度h9.812um/s其中：—空气密度kg/m35、局部对流换热系数αx在下列假设下：①电热功率均匀分布在整个片表面②不计片向外界辐射散热的影响③忽略片纵向导热的影响局部对流换热系数αx可按下式计算：)t2Lb(tIVfxW/（m2℃）6、局部努谢特数Nux与雷诺数RexuxR,XNexxux其中：X—离平板前缘的距离mλ—空气的导热系数W/(m℃)γ—空气的运动粘性系数m2/s用来流与壁温的平均值作为定性温度，即2ttf;2tttminmax式中：tmax和tmin为平板上壁温的最大值和最小值。六、实验注意事项1、箱式风源：禁止人员试验时在风口处走动。2、硅整流电源：启动电源之前先将电源调节手柄旋至零位，使之进入准备状态。3、接线：电源、测量系统上都标有正、负标记（红为正;黑为负），注意不要接错。4、转换开关：转换开关上共有5档①（标记V）为测量工作电压之用②（标记A）为测量工作电流之用③、④、⑤（标记mv）为测量温差电势之用5、毕托管：毕托管安装时注意其垂直度，尾部长管测全压，短管测静压。6、平板试验件：①工作电源：平板试件最大允许工作电流：Imax≤29（A）②冷端：冷端接线如上图所示：7、启动顺序：启动和停止工作时必须注意操作顺序，按实验步骤进行。试验结束时，将硅整流电源调节手柄恢复到零位，先关掉硅整流电源，再将风机门开到最大位置，等加热件冷却下来后再把风机关掉。七、实验要求1、预习实验指导书，编制数据记录与计算用的表格。1）、金属片两端电压降V2：——————、————————、————————0.2mv2）、标准电阻电压降V1：——————、————————、————————0.2mv3）、空气动压头（h）：——————、————————、————————0.40.8mmOH24）室温（ft）：——————、————————℃5）、实验数据记录与处理表格序号热电势0.2mv温差（℃）冷端温度（℃）表面温度（℃）局部换热系数α雷诺数Rex努谢特数Nux备注1热端温度=定性温度====23456789101112131415161718192021222、绘制αx—X的关系曲线或在双对数纸上绘制Nux~Rex关系曲线3、分析沿平板对流换热的变化规律，并将实验结果与有关参考书上给出的准则方程进行比较。