空气横掠单管强迫对流的换热实验

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实验。本实验是测定空气横向掠过单圆管时代平均换热系数。

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、实验测定空气横掠单管时的平均换热系数；了解空气横掠管子时的换热规律。、

二、实验原理

 1. 根据牛顿冷却公式：

                   (W)            (6-2-1)

得

                      (W/m²×℃)      (6-2-2)

式中   —对流换热的热流，[W]；

      —对流换热系数，[W/m2×℃]；

      —与流体接触的物体表面面积，[m2]；

      —流体平均温度，[℃]；

      —物体表面温度，[℃]。

    本实验采用电加热的放热圆管，空气外掠圆管表面，当换热稳定时，测出加热电功率，即可得出对流换热热流，即：

                          (W)             (6-2-3)

 2. 根据对流换热的分析，强制对流稳定时的换热规律可用下列准则关系式来表示：

                 (6-2-4)

对于空气，因温度变化范围不大，上式中的普朗特数Pr变化很小，可作为常数看待，故式(6-2-4)化简为：

                  (6-2-4a)

式中  努谢尔特数 

      雷诺数      

      —空气横掠单管时的平均换热系数，[W/m²×℃]；

      —空气来流速度，[m/s]；

      —定型尺寸，取管子外径，[m]；

      —空气的导热系数，[W/m×℃]；

      —空气的运动粘度，[m2/s]。

要通过实验确定空气横掠单圆管时的与的关系，就需要测定不同流速及不同管子直径时换热系数的变化。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、管子表面温度及管子表面散出的热量。

三、实验装置及测量系统

   实验装置本体是由一风源和试验段构成。 风源为一箱式风洞，风机、稳压箱、收缩口都设置在工作台内。风箱中央为空气出风口，形成均匀流速的空气射流。试验段的风道直接放置在出风口上。风道内的空气流量由变频器19来调节，可以改变实验段风道中空气流速。

           

图4-1为测定空气横掠单管平均换热系数的试验段简图。

   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、单管试件15、供电电极 16、热电偶（测管壁温）17、热电偶（测来流温）18、分流器 19、变频器

   实验段风道13由有机玻璃制成。试验件14为不锈钢薄壁管，横置于风道中间。为了保证管子加热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15连接，并易于更换不同直径的试验管。为了准确测定试验管上的加热功率，在离管端一定距离处有两个电压测点a、b，以排除管子两端的影响。铜-康铜电偶16设在管内，在绝热条件下准确测出管内壁温度，从而确定管外壁温度。

试验管加热用的低压大功率直流电源5供给，输出电流（压）可改变对管子的加热功率，电路中串联一标准电阻18。用直流电压表9测量电阻18上的电压降，然后确定流过单管试件的电流量。试件两测压点a、b间的电压亦用直流电压表测量。

为了简化测量系统，测量管内壁温度t_w的热电偶，其参考点温度不是摄氏零度，而是来流空气温度t_f。即热电偶的热端16设在管内，冷端17则放在风道空气中。所以热电偶反映的为管内壁温度与空气温度之差（t_w-t_f）。

风道上装有比托管12，通过差压变送器由压力表直接读数，测出试验段气流的动压△P，以确定试验段中气流的速度v。

四、实验步骤

（1）连接并检查所有线路和设备，合上背板上的空气开关，打开电源、仪表开关。此时交流供电开关应处于关闭状态！打开实验台右侧的变频器开关，调节风机频率到50Hz即最大风量观察毕托管测定风压值。

（2）打开大功率直流电源，将电流（压）调节旋钮旋至输出电流为20-25A。（注意：稳压电源提供的是恒流源。对试件的加热量主要看供给的电流大小，仪表会同时显示其输出电压值。）稳定后即可测量各有关数据。

（3）保持加热功率不变，风机频率减小，稳定后又可测到一组数据。试验时对每一种直径的管子，空气流速可调整8个工况。加热电流（压）保持不变，亦可根据管子直径及风速大小适当调整，保持管壁与空气中有适当的温差。每调整一个工况，须待压力表，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

试验用二根不锈钢管：

     直径D=4.0mm和6.3mm范围，管长为200 mm，测压点ab间距约100mm

1. 空气的来流速度

    根据伯努力方程，毕托管所测得的气流动压(N/m2)与气流速度(m/s)的关系：

     (Pa)             (6-2-5)

    (m/s)             (6-2-6)

式中为空气的密度（kg/m3)，由空气温度查表确定。

2、管壁温度t_w

    由铜-康铜热电偶测得, 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t_w。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，可足够确认的认为t_w= t₁。

 ３、试验管工作段ab间的发热量  Q

              Q = IU                         W    (6-2-7)

 ４ 、空气流过管外壁时的平均换热系数

                         W/(m℃)       (6-2-8)

   其中：A--电压测点ab间试验管的外表面积  ㎡

５. 换热准则方程式

   根据每一实验工况所测得的数值可计算出相应的值及Re值，然后，在双对数坐标纸上，以为纵轴，Re为横轴，将各工况点描出，它们的规律可近似地用一直线表示，即：

                  (6-2-9)

则和Re之间的关系可近似表示为一指数方程的形式：

                                  (6-2-10)

其中  

如用  ，，上式则可表示为：

                     (6-2-11)

    根据最小二乘法原理，系数及可按下式计算：

              (6-2-12)

                (6-2-13)

式中：—实验点的数目；

                 ；

                。

    在计算及Re时所用的空气导热系数、运动粘度，可根据边界层的平均温度作为作为定性温度查表。

六、实验报告要求

 1. 在双对数坐标纸上描绘出各实验点，并用最小二乘法求出强迫对流换热的准则方程式；

 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和曲线图进行比较；

 3. 对实验结果进行分析与讨论。

七  思考题

   1结合实验数据，分析对流换热系数和风速的关系。

   ２ 测试得到的准则方程式与理论公式误差产生的原因。

 八、注意事项

 1、首先了解试验装置的各个组成部分，并熟悉仪表的使用，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。启动电源之前，先将电源调节旋钮转至零位：

3、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。注意电流表上的读数，不允许超出工作电流参考值。试验完毕时，必须先关加热电源，待试件冷却后，再关风机。

　　　４电流极限值27安 加热管壁温不能超过100℃，皮托管压差不能小于25kPa

此表每个试件填写一张

第二篇：实验指导书(空气沿横置圆管表面自然对流平均换热系数的测定)

空气沿横置圆管表面自然对流

平均换热系数的测定实验

一、实验目的及要求

1．目的

（1）学习在自然对流实验台上研究空气沿横置圆管表面自然对流换热的方法。

（2）测定空气沿横置圆管表面自然对流时的平均换热系数α。

（3）将实验数据整理成准则方程，从而掌握空气沿横置圆管表面自然对流换热的规律。

2．要求

（1）充分理解实验原理。

（2）必须懂得在实验中应记录哪些量。

（3）能独立地将测量数据整理成准则方程，正确区分实验法确定换热系数的两种方法的优、缺点以及适用范围，从而巩固课堂上学过的知识。

二、实验原理

影响自然对流的换热系数α 的五大因素有：

1．由流体冷、热各部分的密度差产生的浮升力；

2．流体流动的状态；

3．流体的热物性；

4．换热壁面的热状态；

5．换热壁面的几何因素；

依据相似理论，它们之间的关系包含在准则方程

之中。由于本实验中介质为空气，其物性随温度的变化较小，空气的Pr值随温度的变化不大，Pr≈0.72，故相应的准则方程可简化为：

Nu_f= f (Gr_f )

对流换热问题的准则函数形式，通常采取指数函数的形式表示：

Nu_f= c Gr_f ⁿ

式中：Nu_f——努谢尔特准则         Nu_f=

Gr_f——葛拉晓夫准则       Gr_f =

系数c，上标n —— 均为需通过实验来确定的常数。

上述各准则中，有关的物理量及其单位分别为：

α  ——  对流换热系数               W/（m²·Κ）

D  —— 实验单管外径              m

λ    —— 空气的导热系数             W/（m·Κ）

β  —— 介质的膨胀系数            K^-1

g  —— 重力加速度                 m / s²

Δt —— 介质和管壁表面之间的温差     K

ν  —— 运动粘性系数                       m²/ s

下标f  —— 表示各准则以流体介质在物体边界层以外处的温度t_f为定性温度。

要通过试验确定空气横向掠过单管时Nu_f与Gr_f的关系，就要求葛拉晓夫数Gr_f有较大范围的变动才能保证求得的准则方程式的准确性。改变葛拉晓夫数Gr_f可以通过改变温度（Δt）及管子直径（D）来达到。

测量的基本量为空气温度t_f，管子表面温度t_w及管子表面散出的热量Q。

三、实验设备

整套实验装置由实验台、控制箱、电脑三大部分组成。

实验台上悬挂有试件（四种直径单根圆管），试件内装有电加热管，两端装有绝热盖（计算中略去轴向热损失）。试件上有热电偶嵌入管壁，所有单圆管中央的热电偶均与控温仪连接，防止温度过高烧毁试件；沿管子圆周均匀分布热电偶均与巡检仪连接可直接显示管壁各个测点的温度。A、B、C、D管管壁的测温热电偶数分别为4、4、6、8个。试件结构如图一所示

                 图一、试件结构示意图

1.加热导线   2.接线柱   3.绝热盖   4.绝缘法兰   5.绝热泡沫垫   6.绝热体     7.实验管   8.管腔     9.加热管     10.热电偶

                                                                                   

控制箱内有稳压器可稳定输出电压，使其加到单管上的热量保持一定，并设置电压调节装置以改变加热量从而改变实验管壁面温度。电压、电流表分别显示电加热器的电压和电流；巡检仪可显示单圆管壁面温度、实际电流、电压、室内温度。见图二：

          

                   图三、控制箱

1——D₄=80mm测温琴键开关             2——D₃=60mm测温琴键开关   3——D₂=40mm测温琴键开关             4——D₁=20mm测温琴键开关   

5、25—D₄=80mm加热接线柱             6、24—D₃=60mm加热接线柱  

7、23—D₂=40mm加热接线柱             8、22—D₁=20mm加热接线柱 

9—16点万能信号输入巡检仪             10————输出显示电压表         11————高温保护温控仪              14——热电偶接线柱组 (32对)               12—D₁=20mm输出显示加热电流表   13—D₂=40mm输出显示加热电流表     15—D₃=60mm输出显示加热电流表   16—D₄=80mm输出显示加热电流表17————D₁=20mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管

18————D₂=40mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管

19————D₃=60mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管       20————D₄=80mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管      21————计算机采集RS232接口。

电脑可显示并自动记录单圆管壁面温度、实际电流、电压、室内温度，通过数据分析，很容易判断系统是否达到稳定工况；它还可自动运算和描绘出图线。

四、实验步骤

1．熟悉实验装置，连接电源线路和测量仪表线路，经指导教师检查确认无误后选择实验圆管，按下相应琴键开关，打开加热开关，调整调压旋钮开始加热，并保持电压不变。

2．当圆管各测温点温度在10~15分钟不变时，认为管壁温度已稳定，此时为第一个稳定工况，可记录各测点温度，并同时记录电流I和电压U的数值以及离实验管1米外室温t_f。此过程计算机自动完成。

3．调整调压旋钮将电压调高至某一数值后保持不变，待各个测点温度稳定后，记录第二个稳定工况的上述各实验数据。

4．完成4个工况后，一组实验完成。

5、选择其他管径圆管，重复上述过程，四组实验完成后，实验结束。

***注意事项

  

1.   单圆管上的输入功率不容许超过额定功率

  N₁ =300 W    N₂ =600 W      N₃  =800 W      N₄ =1200 W

2.   实验结束后，先将加热调节调至输出功率为零，再关加热开关，最后关电源。

3.   实验管加热后严禁触摸，以免烫伤。

五、实验记录

附表一：试验原始数据记录    

                          

附表二:  实验管壁温度记录

六、实验数据的整理

1．对流换热系数α  （经验法）                                                                                                                        

对铜管进行电加热，高温铜管对空气的热传递过程，是既有辐射又有对流换热的复杂换热过程。

由高温铜管传递给空气的对流换热系流量和辐射换热的热流量公式分别为：

Q_c= α F (t_w－t_f )        [W]

Q_r=εC₀ F[()⁴_{— (})⁴]       [ W ]

二者传递的总热流量为：

Q=Q_c+Q_r=IU         [ W ]

Q_c = Q－Q_r =IU－ε C₀ F [()⁴－()⁴]    [ W ]

    因此：

α = ={IU－ε C₀ F [()⁴－()⁴]}/(t_w－t_f ) F

2．确定准则方程式（半经验法）

待定方程   Nu_f= c Gr_f ⁿ                                    

取对数得   lgNu_f  =  lgc  +  nlgGr_f                    

以室温t_f为定性温度算出各实验点的Nu_f及Gr_f数值， lgNu_f作为纵坐标, lgGr_f作为横坐标，描绘在对数坐标图上，并计算出相应的c和n值，带入指数方程, 写出准则方程式。

式中: lgNu_f与lgGr_f ---------分别为纵坐标与横坐标

lgc-------直线方程的纵截距                                                           

n = tgφ----直线的斜率

附表三：各工况数据处理

式中：Q_c ——  对流换热量

t_w   ——  单管壁面的平均温度

t_f    ——  实验单管前后空气的平均温度

F  ——  实验单管的对流换热面积

预习思考题

1．每根实验管段上都有几个热电偶，它们沿管子圆周均匀分布的，这有什么意义？

2．如室内有风，对实验有何影响？

3．水平放置和竖直的圆管，它们的定型尺寸有何不同？

复习思考题：

1．以本实验为例，试述相似理论在自然对流换热实验研究中的应用。

2．你对本实验装置有什么改进的意见？