传热学实验_空气横掠单管时平均换热系数的测定

传热学实验_空⽓横掠单管时平均换热系数的测定
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试验。

本实验是测定空⽓横向掠过单圆管时的平均换热系数。

⼀、实验⽬的及要求
1．了解实验装置、熟悉空⽓流速及管壁温度的测量⽅法，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．了解空⽓横掠管⼦时的换热规律。

⼆、基本原理
根据对流换热的分析，稳定受迫对流的换热规律可⽤下列准则关系式来表⽰： Pr)(Re,f Nu = （1）
对于空⽓，温度变化范围⼜不⼤，上式中的普朗特数Pr 变化很⼩，可作为常数看待。

故上式简化为：
(Re)f Nu = （2）努谢尔特数：
λ
αD Nu = 雷诺数：νuD =Re
其中：α――空⽓横掠单管时的平均换热系数，)/(2C m W ?；
u ――来流空⽓的速度，s m /；
D ――定型尺⼨，取管⼦外径，m ；
λ――空⽓的导热系数，)/(C m W ?；
ν――空⽓的运动粘度，s m /2
要通过实验确定空⽓横向掠过单管时Nu 与Re 的关系，就要求实验中雷诺数Re 有较⼤范围的变化，才能保证求得的准则⽅程式的准确性。

改变雷诺数可以通过改变空⽓流速u 及管⼦直径D 来达到。

改变流速u 受风机压头及风量的限制。

本实验采⽤在不同的空⽓速度条件下进⾏实验，就可以达到Re 较⼤范围的变化。

测量的基本量为：管⼝的空⽓流速、空⽓温度、管⼦表⾯的温度及管⼦表⾯散出的热量。

然后将全部实验结果整理在⼀起，以求得换热准则关系的具体表达式。

三、实验装置及测量系统
实验装置本体是由风源和实验段构成。

风源为⼀箱式风洞，似⼀个⼯作台。

风机、稳压箱、收缩⼝都设置在箱体内。

风箱中央
为空⽓出风⼝，形成⼀有均匀流速的空⽓射流。

实验段的风道直接放置在出风⼝上。

风机吸⼊⼝有⼀调节风门，可以改变实验段风道中的空⽓流速。

图1为测定空⽓横掠单管平均换热系数的实验段简图。

图1 实验段
实验段风道1由有机玻璃制成。

实验管2为不锈钢薄壁管，横置于风道中间。

为了保证管⼦加热量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3连接，并易于更换不同直径的实验管。

为了准确测定实验管上的加热功率，在离管端⼀定距离处焊有⼆个电压测点a、b，以排除管⼦两端的影响。

铜－康铜热电偶5设置在管内，在绝热条件下准确地测量出管内壁温度，然后确定出管外壁温度。

图2为该实验装置及其测量系统简图。

b a 8
7
3
4
6
52
1
图2 测定空⽓横掠单管平均换热系数的试验装置简图
1.电源
2.风源 3倾斜式微压计 4.毕托管
5.电位差计
6.转换开关
7. 热电偶冷端
8.热电偶热端
实验管加热⽤的低压⼤电流直流电由硅整流电源1供给，调节整流电源输出电压可改变对管⼦的加热功率。

电路中串联⼀个标准电阻，测量标准电阻上的电压降，可以确定流过不锈钢管的电流量，电流值由整流电源上的电流表读出。

实验管两测压点a ，b 间的电压⽤电位差计测量。

由于受电位差计量程限制，测量a ，b 间电压的电路中接⼊分压箱。

为了简化测量系统，测量管内壁温度1t 的热电偶，其参考点温度不是摄⽒零度，⽽是空⽓温度f t 。

即热电偶的热端8设在管内，冷端7则放在风道空⽓流中。

所以热电偶反映的为管内壁温度与空⽓温度之差f t t -1的热电势),(1f t t E ，经过转换开关，⽤
电位差计测量。

风道上装有毕托管4，通过倾斜式微压计3测出试验段中的空⽓流的动压h ?，以确定实验段中空⽓流的流速u 。

空⽓流的温度f t ⽤⽔银温度计测量。

四、实验步骤
1．联接并检查所有线路和设备。

将硅整流电源电压调节旋钮转⾄零位。

然后接通风机电源，调节风门⾄最⼤风量。

再接通整流电源，将电流调到指定的参考值。

将微压计、热电偶读数稳定后即可测量各有关数据。

2．保持加热功率基本不变，调风门关⼩，稳定后⼜可测到⼀组数据。

实验时，空⽓流
速可调整4－5个⼯况。

加热电流及电压可保持不变。

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有关数据。

五、实验数据的计算与整理
实验数据：
风道通流截⾯0.08m ×0.16m
圆柱直径D=48×10-3m
总长度L=0.147m
1．空⽓来流速度U （详见附录A ）
h U =ρ81
.92 s m / （3）
其中：⊿h ――毕托管测得空⽓流的动压，O mmH 2；
ρ――空⽓密度，3/m kg
2．管壁温度w t
实验管为有内热源的圆筒形壁，且内壁绝热，因此，内壁温度1t ⼤于外壁温度w t 。

（根据管内温度可以计算外壁温度w t ）。

由于所⽤管壁很薄，仅0.2～0.3mm ，且空⽓对管外的换热系数较⼩，可⾜够准确地认为w t ＝1t 。

3．流过试验管的电流I
标准电阻为150A/75mV ,所以测得标准电阻上每mV 1的电压降等于A 2电流流过，即：
12V I ?= A （4）
其中：1V ――标准电阻两端的电压降，mV 。

4．实验管⼯作段a ,b 间的电压降V
3210-??=V T V V （5）
其中：T ――分压箱倍率，T ＝201；
V 2――a ,b 间电压经分压箱后测得的值，mV 。

5．试验管⼯作段a ,b 间的发热量Q
IV Q = W （6）
6．空⽓流对管外壁的平均换热系数α
)
(f w t t A Q -=α )/(C m W ? （7）其中：A ――电压测点a ,b 间实验管的外表⾯积，2m 。

7. 换热准则⽅程式
根据每⼀实验⼯况所测得的值，可计算出相应的Nu 值及Re 值。

在双对数坐标纸上，
以Nu 为纵轴，Re 为横轴，将各⼯况点绘出，它们的规律可近似地⽤⼀条直线表⽰：
Re lg a lg m Nu += （8）则Nu 和Re 之间的关系可近似表⽰为⼀指数⽅程的形式：
m C Nu Re = （9）
其中C a lg =
如⽤：Re lg =x ；Nu y lg =,则可表⽰成：
mx a y +=
根据最⼩⼆乘法原理，系数a 及m 可按下式计算：
∑∑∑∑∑∑--=222)(x xy a x n x x y
∑∑∑∑∑--=2
2)(y x m x n x xy n 其中：n ――实验的数⽬；
)R e )(l g (l g Nu xy =；
22R e )(l g
=x ；在计算Nu 及Re 时，所⽤的空⽓物性参数λ、ν，以边界层的平均温度2f w m t t t +=
为
定性温度，查有关表格。

六、实验注意事项
1．⾸先了解整个实验装置各个部分，并熟悉仪表的使⽤，以免损坏仪器。

2．为确保管壁温度不致超过允许的范围，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，然后对实验管通电加热，并调整到要求的⼯况。

注意电流表上的读数，不允许超过⼯作电流参考值。

实验完毕时，必须先关加热电源，待试件冷却后，再关风机。