空氣橫掠單管強迫對流的換熱實驗

空氣橫掠單管強迫對流的換熱實驗熱交換器中廣泛使用各種管子作為傳熱元件，其外側通常為流體橫向掠過管子的強制對流換熱方式，因此測定流體橫向掠過管子時的平均換熱系數(shù)是傳熱中的基本實驗.本實驗是測定空氣橫向掠過單圓管時代平均換熱系數(shù)。一、實驗目的及要求1、了解實驗裝置,熟悉空氣流速及管壁的測量方法,掌握測試儀器、儀表的使用方法。2、通過對實驗數(shù)據(jù)的綜合、整理，掌握強制對流換熱實驗數(shù)據(jù)整理的方法。3、實驗測定空氣橫掠單管時的平均換熱系數(shù);了解空氣橫掠管子時的換熱規(guī)律。、二、實驗原理1.根據(jù)牛頓冷卻公式：（W）（6-2—1得（W/m2℃）（6-2-2式中—對流換熱的熱流，［W];-對流換熱系數(shù)，[W/m2℃]；—與流體接觸的物體表面面積，[m2］；—流體平均溫度,[℃]；—物體表面溫度，［℃］。本實驗采用電加熱的放熱圓管,空氣外掠圓管表面，當換熱穩(wěn)定時,測出加熱電功率，即可得出對流換熱熱流,即：（W）（6-2—32.根據(jù)對流換熱的分析，強制對流穩(wěn)定時的換熱規(guī)律可用下列準則關系式來表示:（6—2-對于空氣，因溫度變化范圍不大，上式中的普朗特數(shù)Pr變化很小，可作為常數(shù)看待,故式(6-2-4）(6—2式中努謝爾特數(shù)雷諾數(shù)—空氣橫掠單管時的平均換熱系數(shù)，[W/m2℃]；—空氣來流速度，[m/s］；—定型尺寸,取管子外徑，[m］；—空氣的導熱系數(shù),［W/m℃];—空氣的運動粘度，［m2/s]。要通過實驗確定空氣橫掠單圓管時的與的關系，就需要測定不同流速及不同管子直徑時換熱系數(shù)的變化。因此，本實驗中要測量的基本量為管子所處的空氣流速、空氣溫度、管子表面溫度及管子表面散出的熱量。三、實驗裝置及測量系統(tǒng)實驗裝置本體是由一風源和試驗段構成。風源為一箱式風洞,風機、穩(wěn)壓箱、收縮口都設置在工作臺內(nèi).風箱中央為空氣出風口，形成均勻流速的空氣射流.試驗段的風道直接放置在出風口上。風道內(nèi)的空氣流量由變頻器19來調(diào)節(jié),可以改變實驗段風道中空氣流速。圖4-1為測定空氣橫掠單管平均換熱系數(shù)的試驗段簡圖。1、電源開關2、儀表開關3、交流供電開關4、交流調(diào)壓旋鈕5、直流大功率電源6、差壓表7、交流功率表8、電流表9、電壓表10、十六路溫度巡檢儀11、四路溫度巡檢儀12、畢托管13、風道14、單管試件15、供電電極16、熱電偶（測管壁溫）17、熱電偶(測來流溫）18、分流器19、變頻器實驗段風道13由有機玻璃制成。試驗件14為不銹鋼薄壁管,橫置于風道中間。為了保證管子加熱測量及管壁溫度測量的準確性，管子用低壓直流電直接通電加熱，管子兩端經(jīng)接座與電源導板15連接，并易于更換不同直徑的試驗管。為了準確測定試驗管上的加熱功率，在離管端一定距離處有兩個電壓測點a、b，以排除管子兩端的影響。銅-康銅電偶16設在管內(nèi)，在絕熱條件下準確測出管內(nèi)壁溫度,從而確定管外壁溫度。試驗管加熱用的低壓大功率直流電源5供給，輸出電流(壓)可改變對管子的加熱功率,電路中串聯(lián)一標準電阻18。用直流電壓表9測量電阻18上的電壓降，然后確定流過單管試件的電流量。試件兩測壓點a、b間的電壓亦用直流電壓表測量。為了簡化測量系統(tǒng)，測量管內(nèi)壁溫度tw的熱電偶,其參考點溫度不是攝氏零度，而是來流空氣溫度tf.即熱電偶的熱端16設在管內(nèi)，冷端17則放在風道空氣中。所以熱電偶反映的為管內(nèi)壁溫度與空氣溫度之差（tw-tf）.風道上裝有比托管12,通過差壓變送器由壓力表直接讀數(shù)，測出試驗段氣流的動壓△P，以確定試驗段中氣流的速度v。四、實驗步驟（1）連接并檢查所有線路和設備，合上背板上的空氣開關，打開電源、儀表開關.此時交流供電開關應處于關閉狀態(tài)!打開實驗臺右側的變頻器開關，調(diào)節(jié)風機頻率到50Hz即最大風量觀察畢托管測定風壓值。（2)打開大功率直流電源，將電流（壓）調(diào)節(jié)旋鈕旋至輸出電流為20-25A（3）保持加熱功率不變，風機頻率減小,穩(wěn)定后又可測到一組數(shù)據(jù)。試驗時對每一種直徑的管子,空氣流速可調(diào)整8個工況。加熱電流（壓）保持不變,亦可根據(jù)管子直徑及風速大小適當調(diào)整，保持管壁與空氣中有適當?shù)臏夭?。每調(diào)整一個工況,須待壓力表,熱電偶讀數(shù)等穩(wěn)定后方能測量各有關數(shù)據(jù)。五、實驗數(shù)據(jù)的計算與整理試驗用二根不銹鋼管：直徑D=4。0mm和6。3mm范圍，管長為200mm，測壓點ab間距約100mm1?？諝獾膩砹魉俣雀鶕?jù)伯努力方程，畢托管所測得的氣流動壓（N/m2)與氣流速度（m/s)的關系：（Pa)（6-2—5(m/s)(6—2式中為空氣的密度(kg/m3），由空氣溫度查表確定.2、管壁溫度tw由銅-康銅熱電偶測得,試驗管為有內(nèi)熱源的圓筒形壁，且內(nèi)壁絕熱，因此，內(nèi)壁溫度t1大于外壁溫度tw。由于所用管壁很薄,僅0.2-0.3mm，且空氣對外管的換熱系數(shù)較小,可足夠確認的認為tw=t1。３、試驗管工作段ab間的發(fā)熱量 QQ=IUW（6—４、空氣流過管外壁時的平均換熱系數(shù)W/（m℃）(6-2-8）其中：A--電壓測點ab間試驗管的外表面積㎡５。換熱準則方程式根據(jù)每一實驗工況所測得的數(shù)值可計算出相應的值及Re值，然后，在雙對數(shù)坐標紙上，以為縱軸，Re為橫軸,將各工況點描出,它們的規(guī)律可近似地用一直線表示，即：(6—2則和Re之間的關系可近似表示為一指數(shù)方程的形式:（6-2-10其中如用，，上式則可表示為：（6-2—1根據(jù)最小二乘法原理,系數(shù)及可按下式計算：(6—2(6—2-式中:-實驗點的數(shù)目；；。在計算及Re時所用的空氣導熱系數(shù)、運動粘度，可根據(jù)邊界層的平均溫度作為作為定性溫度查表。六、實驗報告要求1.在雙對數(shù)坐標紙上描繪出各實驗點，并用最小二乘法求出強迫對流換熱的準則方程式；2.將實驗結果與有關參考書給出的空氣橫掠單管時換熱的準則方程式和曲線圖進行比較;3.對實驗結果進行分析與討論.七思考題1結合實驗數(shù)據(jù)，分析對流換熱系數(shù)和風速的關系。２測試得到的準則方程式與理論公式誤差產(chǎn)生的原因.八、注意事項1、首先了解試驗裝置的各個組成部分，并熟悉儀表的使用，以免損壞儀器.2、為確保管壁溫度不至超出允許的范圍,啟動及工況改變時都必須注意操作順序。啟動電源之前，先將電源調(diào)節(jié)旋鈕轉至零位：3、啟動時必須先開風機，調(diào)整風速,然后對試驗管通電加熱，并調(diào)整到要求的工況。注意電流表上的讀數(shù),不允許超出工作電流參考值。試驗完畢時,必須先關加熱電源，待試件冷卻后，再關風機。４電流極限值27安加熱管壁溫不能超過100℃工況試件壁溫tw（℃）大氣溫度tf（℃)電流（A）電壓（V)壓差

（Pa）試件壁溫tw（℃）大氣溫度tf(℃）電流(A）電壓（V）壓差

（Pa)12345678試件直徑