安徽工业大学热平衡实验报告

热平衡实验报告

以吾之名

一、实验目的

1、熟悉已有的热风炉系统，并了解其运行方式及原理；

2、对已有的热风炉系统进行热平衡试验，深刻了解热风炉系统

中能量转换过程；

3、熟悉各种仪器的使用，强化动手能力。

二、热平衡实验原理

利用系统内能量的收支平衡来验证热平衡，整个实验设备包含热风炉和换热器两部分。首先热风炉通电，加热内部的电阻丝，开启鼓风机向热风炉内充入具有一定速度的空气，空气掠过热风炉内被电加热的电阻丝加热，之后进入热管换热器。热管换热器下部的螺旋管式热管内的介质被加热气化，上升到换热器的上部，换热器一段的鼓风机掠过换热器上部的热管，使其冷却，热管中介质液化下流，完成热量的交换。

在达到稳态过程后，整个系统的能量交换过程包括以下几个部分的能量交换：

1）鼓风机耗电转换为气体的动能（忽略由于热量变化导致的气体动能变化）；

P1=U1I1

Q1=1/2q m1v12

P2=U2I2

Q2=1/2q m2v22

P1、P2分别是两端鼓风机的电能消耗；W

Q1、Q2分别是热风炉端和换热器段的空气获得的动能；J/s

U、I是电压和电流；V,A

q m是空气质量流量；kg/s

V是空气流速；m2/s

2）加热热风炉的电量转换为空气的热量（假设100%转化）；

Q3=U3I3=q m1（c p1T1-c p0T0）

Q3是空气在热风炉中获得的热量；J/s

c p是对应温度的等压比热；J/（kg K）

T1是热风炉出口温度，也是换热器下部进口温度；K

T0是环境温度；K

3）热风炉中空气热量在热管换热器中传递给换热器端鼓入空气；

Q4=q m1（c p2T2-c p0T0）

Q5=q m2（c p3T3-c p0T0）

Q6=q m2（c p4T4-c p0T0）

Q4、Q5、Q6分别是换热器下部出口和上部进出口空气热量；J/s T2是换热器下部气体出口温度，K

T3和T4是换热器上部空气的进出口温度。K

4）炉体蓄热通过导热，辐射，对流的方式传递给周围环境

由实际情况可知，炉体的散热过程分为两个部分，大空间自然对

流和平板外强制对流：

首先对于四个竖直平板，有：

)

(Pr)(r )4~1(72

3

t hA Q hl Nu Gr C Nu v tl g G m n

m

m v ∆==⋅=∆=λ

α

Gr 是格拉晓夫数；

v α 是Gr 数中的体胀系数，对于符合理想气体性质的气体，值为1/T;

△t 是壁面温度t w 与环境温度t ∞的差值；K

l 是特征长度，在这里是竖直平板高度；m

v 是运动粘度；m2/s

λ是定性温度下的空气的导热系数，W/（m K ）

Nu 是努赛尔数

Pr 是普朗特数；

m 表示定性温度是壁面温度与环境温度的算术平均温度；℃ C ，n 的取值根据格拉晓夫数而来，当

1.43x104<Gr<3x109,C=0.59,n=0.25;3x109<Gr<2x1010,C=0.2092,n=0.39;2x1010<Gr,C=0.11,n=0.33 。

对于炉体上下表面：

对于热面向上：

11725.07

425.010Pr 10,Pr)(15.0u 10Pr 10,Pr)(54.0u <=<==<=<==Gr Gr N Gr Gr N

对于热面向下：

10525.010Pr 10,Pr)(27.0u <=<==Gr Gr N

定性温度为同上，特征长度为L=A p /P ，A p 、P 分别是换热面积与周界长度。

得出努赛尔数之后对流换热系数，最后求的散热量。

对于上表面的强制对流换热：

33.08.0m Pr 871e 037.0u ）（-=R N

Re 是以平板全长l 为特征长度的雷诺数

依据努赛尔数求的对流换热系数后求的散热量。

综上所述，针对整个热风炉系统（不包括风机）而言，能量交换满足以下式子：

Q1+Q2+Q3+Q5=Q1+Q2+Q4+Q6+Q7+Q 未知

Q7是炉体总散热量

Q 未知是不明确的热量损失 W

对于整个系统而言，满足如下的关系式：

P1+P2+Q3+Q5=Q1+Q2+Q4+Q6+Q7+Q 未知’

Q 未知’是整个系统的不明确能量损失

以上即是热平衡的原理。

三、热平衡实验设备

1、电阻丝热风炉

2、热管式换热器

3、鼓风机等

四、热平衡实验测试内容

五、热平衡实验测试仪器仪表

1、万用表

2、钳型电流电压表

3、毕托管

4、斜管压力计

5、压力表

6、热电偶、表面热电偶

7、数字显示表、电位差

计8、电度表9、温度计10、一些实验工具等

六、实验步骤和方法（含计算公式）

1.启动机器，电加热热风炉，鼓风机鼓风，带待到工况稳定，记录温度计显示的室温；

2.利用毕托管记录鼓风机管道内的静压与全压，利用v=sqrT（2（p-p0）/ρ）计算气流速度，并通过测量截面积和密度计算质量流量。毕托管使用注意方法：

1）要正确选择测量点断面，确保测点在气流流动平稳的直管段；2）测量时应当将全压孔对准气流方向，以指向杆指示。测量点插入孔应避免漏风，可防止该断面上气流干扰。用皮托管只能测得管道断面上某一点的流速，由于断面流量分布不均匀，因此该断面上应多测几点，以求取平均值；

3）使用前测试一下畅通性。

3.将热电偶与数字显示表或电位差计连接好，测量热风炉、换热器的各个进出口温度，并记录，记录数据时应确定温度值不再变化或变化很小。

4.用表面热电偶测量热风炉和换热器各个表面温度，为减少测量误差采用多点测量，求取平面温度平均值，利用上述的炉体损失热量公式计算表面换热量。需要注意的是，对于长方形表面，测12（3x4）点的温度，对于近似圆形，沿某一直径方向测量若干点，求取平面平均