具有对流换热条件的伸展体传热特性试验

五．具有对流换热条件的伸展体传热特性实验

一、实验目的

通过本实验和对实验数据的分析，加深对传热学教学内容的理解，掌握和了解伸展体传热的特性和求解具有对流换热条件的方法。

二、实验方法与设备

1. 设备的组装

将位于箱体风道中部的伸展体试验的封头取下，将图4所示的伸展体试件按铜管表面的刻线贴好热电偶（用单独的热电偶组）后插入风道，并使热电偶在背风处，如图16所示。将单独一组10对的热电偶接入热电偶组（一）接口，将伸展体试件的加热导线接入位于面板最右端的接线柱。

图16 伸展体试件安装于风道内

2. 实验原理

本实验所用试件为一圆紫铜管，其外径0d =19mm ，内径1d =17mm ，长度L=260mm ，具有对流换热的等截面伸展体(常物性)，如图17所示，取导热微分方程为：

图17 等截面伸展体对流换热示意图

0222=-θϑm dx

d (1) 式中：m ——系数，c

A hp m λ=， (m 1) θ——过余温度，f t t -=θ， (℃)；

t ——伸展体温度， (℃)；

f t ——伸展体周围介质温度， (℃)；

h ——空气对壁面的表面传热系数，(c

m W ο⋅2)； p ——横截面的周长，0d p π=，(m )；

λ——空气的导热系数，（m.℃）

c A ——伸展体横截面面积，4)

(10d d A c -=π，(2

m )； 伸展体内的温度分布规律取决于边界条件和m 值得大小。本实验采用的试件两端为第一类边界条件，即：

f w f

w t t L x t t x -===-===2211,,0ϑϑϑϑ ； (2)

由此，试件内的温度分布规律为式(3)，伸展体在壁面1和壁面2的热流量分别用式(4)和式(5)计算。伸展体表面和流体之间的对流换热量用式(6)计算。

)()]

([)(12mL sh x L m sh mx sh -+=ϑϑϑ (3)

)

(])([)(2101mL sh mL ch m A dx d A c x c θϑλθλφ-=== (4) )

()]([)(212mL sh mL ch m A dx d A c L x c θϑλθλφ-=== (5) )(]1)()[(2121mL sh mL ch m

A c --=-=θϑλφφφ (6) 根据0=dx

d θ，可寻求过余温度最低值处的位置m in x })(/]/)([{12min m

mL sh mL ch arcth x θθ-= (7) 3. 实验过程、数据的测量和整理

被测试验件被安置在风道中，当风机运行后，气流均匀地横向流过管子表面，由于被测试验件是均质的，因此，其表面传热系数基本相同。在被测件两端装有阻值基本相等的加热器，并且处于串联状态。调整输出功率，使被测实验件两端的温度控制在设定状态下。待工况稳定后，逐点测量不同位置上的热电偶的电势值并记录在实验报告的表格内，按以下步骤处理结果：

(1)、用测得的不同位置上的过余温度数据求出实验条件下的m 值和h 值；

(2)、根据实验条件下得到的m ，用分析公式计算：

A 、过余温度分布；

B 、过余温度分布最低值处的位置及其数值；

C 、与实测结果进行比较。

具体做法为：

由式(3)可知，所测得的过余温度分布线与某一m 值相对应，而m 又与h 值有一定的关系(c

A hp m λ=)。若任取三点c b a ,,，b 且为ac 的中点，则有如下关系： ac b c a L arcch m /)]2/()[(2θθθ+= (8)

式中：ac L ——为c a ,点之间的距离。

取h 的平均值，即：

∑

=n h h i (9) 将其代入c

A hp m λ=，即可求得m 值，再将其代入(3)，就可求出过余温度θ沿管长方向的理论分布，并与实际结果进行对比。

实验时，为了改变空气对管壁的表面传热系数，可调整风机电机的输入工作电压，使风机的输出气流量改变，从而使流过管子表面的流速发生变化。

数据按附表整理：

三、编写试验报告内容

实验报告是实验全过程的总结，其包括如下内容：

1、实验任务：试材名称、规格、要求测定的工况范围；

2、实验设备：名称、工作原理简述、测量仪表型号与精度、设备简图；

3、实验过程：操作过程和步骤、实验过程发生不正常现象的解决方法；

4、数据整理：原始数据记录表、计算结果；

5、讨论：实验结果的不确定度分析。