自然对流换热试验

自然对流换热实验报告

一、实验目的

（1）了解空气沿水平圆柱体表面自然流动是的换热过程，掌握实验测试技术。

（2）测定单管（水平放置）的自然对流换热系数h 。

（3）根据实验测得的有关数据，计算各实验管的Nu 数、Gr 数和Pr 数，然后用作图法或最小二乘法确定经验方程式n Gr c Nr Pr)(=中的c 值和n 值，并给出

Pr Gr 的范围。

二、实验原理

对铜管进行加热，热量是以对流和辐射两种方式来散发，所以对流换热量为总流量与辐射热量之差。即

r h c Φ-Φ=Φ （W ）

式中：)(f w c t t hA -=Φ；UI h =Φ；⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=Φ4f 4w 0100T 100T A c r ε，所以

⎥

⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫

⎝⎛---=4

f 4w 0100T 100T )()(f w f w t t c t t A UI

h ε[]）（K /W ∙m 式中：c Φ为对流换热量，W ；h Φ为加热器产生的热量，W ；r Φ为辐射换热量，W;U 加热器电压，V ；I 为加热器电流，A ；ε为圆柱体表面黑度，ε=0.064；0c 为黑体辐射系数，）

（420K m /W 67.5∙=c ；w t 为管壁平均温度，℃；f t 为玻璃室内空气温度，℃；A 为圆柱体的表面积，m 2；h 为自然对流换热系数，）（K /W 2∙m 。

当实验管表面温度稳定时，测定每根管的加热电压U 、电流I 、管壁温度w t 、玻璃室内温度f t ，从表中查出圆管的直径和长度，计算出圆管表面积A ，计算出其对流换热系数h 。

根据相似理论，自然对流换热的准则为

Pr),(Gr f Nr =

在工业中广泛使用的是比式更为简单的经验方程式，即

n Gr c Nr Pr)(=

式中：c 、n 是通过实验所确定的常数（在一定的Pr Gr 数值范围内）。为

了确定上述关系式的具体形式，根据测量数据计算结果求得努塞尔准则Nu 、格拉晓夫准则Gr 和普朗特准则Pr ，即

λ

hD

Nu =

； 2

3υβt

D g Gr ∆=

； a υ=Pr

式中：Pr 、β（空气的体胀系数，1/K ）、υ（空气的运动黏度，m 2/s ）等、λ（空

气的导热系数，℃）（∙m /W ）等物性参数由定性温度

）（2

f

w t t +从气体的热物理

性质表查取；2/8.9s m g =；D 为圆管壁面定型尺寸，m ；f w t t t -=∆，℃。

通过不同的实验管，可以得到多组数据，利用双对数坐标纸作图或最小二乘法求出c 、n 。具体方法如下：

Pr)lg(lg lg Gr n c Nu +=直线的斜率为n ，截距为c lg 。

用最小二乘法计算n 及c ，公式如下

)

()()

)(())((lg )

()()

())((2

2

2

2

2∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑--=

--=

i

i i

i i

i i

i i

i i i i

i i

i i

i i i

i i

i x m x x y x y x c x m x y x m y x n

式中：i i i i Nu y Gr x )lg(;Pr)lg(==。下标和表示试验管号，m 为计算时所选用试验管个数。

三、实验装置及其规范

本实验共有8根尺寸不同圆管，规格尺寸见表1，实验段有紫铜管组成，其表面镀铬以减少表面的辐射换热量，并使表面的黑度值较为稳定，铜管内装有电加热器。用调压器调节加热器两端的电压控制加热量。管壁表面上等距离地布置了4~7对热电偶，用来测量壁面平均温度。实验管的两端都装有绝缘材料，以减少实验段与固定支撑间的导热损失。为了防止外界对气流的扰动，整个实验设备均放置于隔离的玻璃室内，各测头引出玻璃室外，整个系统通过交流稳压器和220V/50Hz 电源连接。配套测量仪器有调压器、电流表、电压表（通常用万用表代替）、电位差计，水银温度计悬挂在玻璃隔墙上，以便测读大空间温度。

表1 各实验圆管尺寸

尺寸 管号 1 2 3 4 5 6 7 8 D （m ） 0.075 0.063 0.051 0.042 0.033 0.025 0.020 0.016 L （m ） 1.447

1.373

1.250

1.147

0.950

0.797

0.654

0.500

规范：（1）实验过程中不允许随意调节调压器，不许转换电流表的量程档，更不许随意关断电源。

（2）如果用万用表替代电压表测量电压，选用万用表的交流电压档。 （3）电位差计接入测量回来时，切记正负极不能接反。

（4）实验过程中，不许任意挪动仪器，更不能擅自进入玻璃室内。 （5）实验用热电偶材料为铜-康铜。 四、实验步骤

（1）连接好除电位差计以外的其他测量仪表，检查调压器输出电压在零位。

（2）接通电源，调整调压器，使实验管的加热电流各不相同，最大圆管的加热电流不超过2A ，其他管电流依次递减，预热约4h 以上，管壁温度稳定。

（3）把电位差计接入测量回路，注意其正负极，并对电位差计进行调零。 （4）通过切换开关，从电位差计测定管壁个测电热电动势，并读出电流、电压。

（5）最后读出玻璃室内的空气温度。

（6）测试完毕，把万用表关闭并放回原位，电位差计的倍率开关关断。 （7）全部实验结束后，经指导老师同意，把调压器调节零位，并断实验台上电源开关。

五、数据记录与处理 1.常规数据记录

室温0t =23℃ 2.实验数据记录及处理

管号 测量值 U （V ） I

（A ）

管壁各点热电势（mV ）

L ）（m D

）（m

（℃）f

t 1E

2E

3E

4E

5E

6E

平均

E

3号

35.1

0.7

0.757

0.803

0.872

0.918

0.833

0.741

0.8207

1.250

0.051

23

查热电偶分度表得，℃077.23=-f w t t ，则℃077

.43=w t 。