实验二-空气横掠单管时平均换热系数的测定

-6-实验二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实验。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1、了解实验装置，熟悉空气流速及管壁的温度的测量方法，掌握测试仪器、仪表的使用方法。2、通过对实验的综合整理，掌握强制对流换热实验数据的整理方法。3、了解空气横掠管子时的换热规律。二、实验原理根据对流换热的分析，稳定受迫对流时的换热规律可用下列准则关系式来表示：Nu=f（Re·Pr）(1)对于空气温度变化范围不大时，上式中的普朗特数Pr变化很小，可作为常数看待，故(1)式简化为：Nu=f(Re)(2)努谢尔特数Nu=laD(3)雷诺数Re=uDu(4)其中：a—空气横掠单管时的平均换热系数，(CmW°⋅/)u—来流空气的速度，(m/s)D—定型尺寸，取管子的外径，(m)λ—空气的导热系数，(CmW°⋅/)u—空气的运动粘度，(m2/s)要确定空气横向掠过单管时的Nu与Re的关系，就需要测定不同流速u及不同管子直径D时换热系数a的变化。因此本实验中要测量的基本量为管子所处的空气流速、空气温度、管子表面的温度及管子表面散发出的热量。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建三、实验仪器实验系统见图2-1，本体由风箱1、风机2、有机玻璃风道3等组成。风箱上半部分倒圆角，以保证在风道实验段中有均匀的空气流速。实验用管子为一薄壁不锈钢圆管4，安装在有机玻璃风道试验段中间。采用低电压大电流的直流电对试验管直接通电加热。低压大电流由硅整流电源5供给，调整硅整流电源可改变对试验管的加热功率。空气横向掠过此管时将电流流过管所产生的热量通过对流换热方式带走。试验时雷诺数Re应有较大范围的变化，以保证求得的空气横掠单管换热准则式的准确性，Re取决于管子所处空气流的速度u及管子直径D，空气流速u可以通过装在风机入口处的调风门6来改变，而u的变化范围受到风机压头的限制，如果采用不同直径的管子作试验管，就可以达到较大Re变化范围，因此试验时可用直径不同的管子在不同空气速度的条件下进行，然后将试验结果整理求得换热准则式的具体表达式。图2-1实验装置简图1.风箱2.风机3.试验段风道4.圆管试件5.低压直流电源6.风门7.毕托管8.微压计9.热电偶冷端10.分压箱11.电位差计12.热电偶热端13.标准电阻PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建四、实验内容及步骤在实验管所处风道中装有毕托管7，通过倾斜式微压计8测出试验段中空气来流动压力头△h毫米水柱，然后计算空气来流的速度u。为了准确测定试管上的热功率，并排除管子两端的影响，在离管端一定距离处焊有二电测点。试管两点测点间的电压降U=U1×T×10-3(伏特)，其中T为分电箱倍率T=201，U1——电流流过试件，两电测点间的电压降经过分压箱后测得的值(毫伏)。试验管的电路中串联了一个标准电阻13，电流流过标准电阻时的电压降U2（mv），经转换开关10和电位差计11测量。然后确定流过试验管的工作电流，电流I=2×U2(A)，因为标准电阻标定150A/75mv。所以测得标准电阻13上每1mv电压降等于2A的电流流过。空气流的温度tf用水银温度计测量。试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度。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种有关数据。图2-2铜——康铜热电势线图为了确定试验管壁的温度tw，在试验管上埋设一对铜——康铜热电偶，而其冷端9则置于空气流中以使测量系统简化，即热端所处温度为管内壁温度tw，冷端所处空气的温度tf。由电位差计测出热电偶电势为E(t′w，tf)。由于热电偶的电势——温度关系并非直线，图2-2为示意图。管壁温度tw按以E(mV)t()℃twtfE(tf,0)E(t′w,0)E(t′w,tf)PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建下步骤确定，先由温度(空气)tf热电偶电势或表得E(tf，0)。反映t′w的E(t′w，0)=E(t′w，tf)+E(tf，0)，然后由E(t′w，0)，再查热电偶线图或表得到t′w值。试验管为一有内热源的圆筒形壁，且内壁绝热，因此内壁温度t′w大于外壁温度tw。由于所用管壁很薄，仅0.2~0.3mm，可足够准确地为tw=tw′。五、计算公式1、空气的来流速度u：由伯努利方程，毕托管所测得的气流动压△P(N/m2)与流速u(m/s)关系：ΔP=221ur式中r为空气的密度(Kg/m3)，由大气温度tf查表确定。毕托管通过差压计测得反映动压的Δh（mm）液柱差，压差计内放置液体为浓度97%的工业酒精，其密度ρ酒精=0.8×103kg/m3。由此可得到ΔP=ρ酒精×9.81×Δh/1000(N/m2)所以空气流速：u=rr1000/81.92hΔ×××酒精(m/s)2、试验管工作段间的电压降UU=U1×T×10-3(V)式中T——分压箱倍率，T=201U1——ab间电压经分压箱后测得的值(mV)3、流过试验管的电流I因为标准电阻标定150/75mv。所以测得标准电阻上每1mv电压降等于2A的电流流过，即：I=U2×2(A)式中U2——标准电阻两端的电压降(mV)4、试验管二电压测点间的发热量Q：Q=IU(W)式中U——试验管工作段间的电压降，VPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建——流过试验管的电流，A5、管子平均换热系数α：α=）（fttAQ-w(w/m2·℃)式中A——二电压测点间试验管的外表面积6．换热准则方程式空气强迫对流换热准则关系式通常整理成幂函数的形式：Nu=CRem准则关系式中的系数都是通过实验数据整理求得的。将上式两边取对数，则有lgNu=a+mlgRe其中a=lgC。如用：X=lgRe；Y=lgNu，则它们的规律可用一条直线表示：Y=a+mX根据每一试验工况所测得的值可计算出相应的Nu值及Re值，然后以lgRe为横坐标，lgNu为纵坐标，作出各工况实验点。根据最小二乘法原理，系数a及m可按下式计算：a()∑∑∑∑∑∑--=222XnXXYXXY()∑∑∑∑∑--=22XnXXYnYXm式中n——试验点的数目其中：XY=(lgRe)(lgNu)X2=(lgRe)2注意：在计算Re及Nu时所用的空气物性参数λ和ν,以边界层的平均温度tm=(tf+tw)/2为定性温度，查有关表格。而计算空气来流速度时用到的空气密度ρ根据tf查有关表格。六、实验报告要求1、什么是边界层？影响对流换热的因素有哪些？2、在坐标纸上绘出各试验点，用最小二乘法求出准则方程式。并将实验PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建结果与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。七、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、为确保管壁温度不至超出允许的范围，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，然后对试验管通电加热，并调整到要求的工况。变工况调节时，欲提高热负荷时则先开大风门，后增加工作电流；减少热负荷时则先减少工作电流后关小风门。实验完毕时，必须先关加热电源，后关风机。3、实验过程中，电源和风机开启的情况下，必须随时注意微压计中液面高度。绝对不允许液面读数为0，因为此时意味着风门完全关闭，温度较高的话试验管上的热电偶很容易烧坏。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建=πDLm2电压测量值U1mV电流测量值U2mV工作电压U=U1×201×10-3V工作电流I=U2×2A工况编号123412341234倾斜微压计读值HmmΔh=H×0.2mm大气温度tf温度℃温度电势mV过余温度电势E(t’w,tf)mV试件温度tw℃PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建