实验二 空气横掠单管时平均换热系数的测定

实验二 原始数据记录表
待测物理量
直径 D
试验管尺寸
有效长度 L
热面积 A=πDL
单位 m m m2
第一组 0.1
第二组 0.1
第三组 0.1
电压测量值 U1
mV
电流测量值 U2
mV
工作电压 U= U1×201×10-3
V
工作电流 I = U2×2 工况编号
倾斜微压计读值 H
A
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
I——流过试验管的电流，A 5、管子平均换热系数 α：
α=
Q A（tω −
t f）
( 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 ，
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：
式中
Q=I U
(W)
U——试验管工作段间的电压降，V
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则有
lgNu=a+mlgRe
其中 a=lgC。
Hale Waihona Puke 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：
4
mm
Δh=H×0.2
mm
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
℃
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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。
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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= 1 ρu 2 2
式中 ρ 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=0.8×103 kg/m3。由此可得到
a
=
∑
XY ∑ (∑ X
X
)2
− ∑Y ∑ − n∑ X 2
X
2
m
=
∑ X ∑Y − n∑ XY (∑ X )2 − n∑ X 2
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。
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。
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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
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 α 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。
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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。
E(mV)
E(t′w , tf)
E(tf ,0)
E(t′w ,0)
tf
tw t (℃)
图 2-2 铜——康铜热电势线图
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。
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：
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
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
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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
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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
ΔP=ρ 酒精×9.81×Δh/1000 (N/m2)
所以空气流速：
u= 2 × ρ酒精 × 9.81× ∆h /1000 ρ
(m/s)
2、试验管工作段间的电压降 U
U= U1×T×10-3
(V)
式中 T——分压箱倍率，T=201
U1——ab 间电压经分压箱后测得的值(mV)
3、流过试验管的电流 I
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。
Nu=f(Re)
(2)
努谢尔特数
Nu=
αD λ
(3)
雷诺数
Re=
uD υ
(4)
其中： α —空气横掠单管时的平均换热系数，( W / m ⋅ °C ) 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，( W / m ⋅ °C ) υ —空气的运动粘度，(m2/s)