空气沿横管外表面自然对流换热实验
最新实验指导书(空气沿横置圆管表面自然对流平均换热系数的测定)
实验指导书(空气沿横置圆管表面自然对流平均换热系数的测定)空气沿横置圆管表面自然对流平均换热系数的测定实验一、实验目的及要求1．目的（1）学习在自然对流实验台上研究空气沿横置圆管表面自然对流换热的方法。
（2）测定空气沿横置圆管表面自然对流时的平均换热系数α。
（3）将实验数据整理成准则方程，从而掌握空气沿横置圆管表面自然对流换热的规律。
2．要求（1）充分理解实验原理。
（2）必须懂得在实验中应记录哪些量。
（3）能独立地将测量数据整理成准则方程，正确区分实验法确定换热系数的两种方法的优、缺点以及适用范围，从而巩固课堂上学过的知识。
二、实验原理影响自然对流的换热系数α的五大因素有：1．由流体冷、热各部分的密度差产生的浮升力；2．流体流动的状态；3．流体的热物性； 4．换热壁面的热状态； 5．换热壁面的几何因素；依据相似理论，它们之间的关系包含在准则方程,,f f f f w Pr Nu f Gr Pr Pr ⎡⎤⎛⎫=⎢⎥ ⎪⎝⎭⎣⎦ 之中。
由于本实验中介质为空气，其物性随温度的变化较小，空气的Pr 值随温度的变化不大，Pr ≈0.72，故相应的准则方程可简化为：Nu f = f (Gr f )对流换热问题的准则函数形式，通常采取指数函数的形式表示：Nu f = c Gr f n式中：Nu f ——努谢尔特准则Nu f =αD λGr f ——葛拉晓夫准则 Gr f =β·g·Δt·D 3ν2系数c ，上标n —— 均为需通过实验来确定的常数。
上述各准则中，有关的物理量及其单位分别为： α —— 对流换热系数 W /（m 2·Κ） D —— 实验单管外径 mλ——空气的导热系数W/（m·Κ）β——介质的膨胀系数K-1g ——重力加速度m / s2Δt——介质和管壁表面之间的温差Kν——运动粘性系数m2/ s下标f——表示各准则以流体介质在物体边界层以外处的温度t f为定性温度。
四、横圆管外表面空气自然对流传热--传热学
管轴向测量 点数目（k）
型号 I
80
1600
0.11
1000
6
型号 II
55
1400
0.15
800
6
型号 III
40
1200
0.15
500
4
型号 IV
20
1000
0.15
300
4
2. 测量数据：
管壁热电势 mv1 、 mv2 …… mvk ；室内空气温度 t f ；加热功率 P。
3. 整理数据：
根据所测管壁各点热电势，算出平均值 mv = (mv1 + mv2 + ⋅ ⋅ ⋅mvk ) / k ，由镍铬 -考铜热电偶分度表查出对应的温度 tw ；并计算温差 Δt = tw − t f 。
mv
P
图 1 横管表面空气自然对流实验装置简图
1. 横管 III 2. 横管表面热电偶嵌入点 3. 横管 IV 4. 镍铬－考铜热电偶 5. 热线盒，即操作平 台（未画横管 I、II、III 的热电偶输出线） 6. 功率表 7. 调压器 8. 横管 I 9. 横管 II 10. 电源 引出线 11. 电位差计 12. 冰瓶
2
3
4
mV(绝对伏)
-2.62 -2.01 -1.30 -0.77 -0.13 0.13 0.78 1.44 2.12 2.80 3.49 4.19 4.90 5.63 6.36 7.10 7.84 8.53 9.33 10.08 10.85 11.62 12.40 13.19 14.00 14.82 15.64 16.46 17.28 18.11 18.92
大多数点落在这条直线上或周围，根据：
1
这条直线的斜率即为 n ，截距为 c 。 (三)、实验装置及测量仪表：
横管表面空气自然对流换热
湖南大学实验报告一、实验目的1. 测定单根横管对周围空气自然对流时的表面传热系数；2. 用多个工况的实验数据整理成大空间自然对流的实验关联式；3. 加深对自然对流换热规律的理解。
二、实验原理被加热的水平横管，其表面壁温为w t ，周围环境空气温度为f t 。
当w t ＞f t 时，横管附近空气由于受到横管的直接加热，导致温度升高，密度变小，又因为密度的不均匀而引起浮升力，使得横管周围的空气开始沿横管表面向上运动，而周围的空气又补充到横管周围，如此循环，形成自然对流换热。
动力设备、蒸汽管道等周围都存在类似的对流换热。
根据牛顿公式，在稳定状态下，加热横管表面由于对流换热而散失的热量CQ 可由下式计算：)(f w C t t hA Q -= W （1） 式中：h ——壁面平均换热系数，W/（m 2·K ）； A ——横管有效换热面积，m 2； w t ——横管壁面平均温度，℃；f t ——空气主流温度，℃。
如果考虑横管表面对空间辐射的影响，还有一部分热量由管壁以辐射方式向外散热，散热量可由下式计算：])100()100[(44f w R T TA Q -⋅⋅=δε W （2）式中：ε——管子表面黑度，ε＝0.1（根据横管表面黑度确定，软件可自己设定）；δ——黑体辐射常数，δ＝5.67 W/（m 2·K 4）;A ——管子表面积，m 2； w T ——管子壁面平均温度，K ；f T ——空气温度，K 。
根据式（1）和式（2），当达到稳定状态时，横管传给空气总的热量，在忽略管子端部散热的前提下，应等于管子内部电加热器所产生的热量Q ，而R C Q Q Q +=，因此若测得壁温w t 和空气温度ft ，那么对流换热系数h ，可由下式求得：)( —f w Rt t A Q Q h -=W/(m 2.K) （3）根据相似理论，自然对流的准则方程可整理成：n r r u P G C N )(⋅= （4）式中：Nu ——努塞尔数，Nu=h·D / λ；Gr ——葛拉晓夫数，Gr=g βD 3 (t w －t f ) /υ2； Pr ——普朗特数，对于空气，见附录空气参数表；λ——流体导热系数，W/(m·K)；D ——横管直径，m ；β——流体的体积膨胀系数，理想气体β=1 / t m -1K ； υ——流体运动粘度，m 2/s ； △t ——壁面与空气的温差，℃。
空气沿横管外表面自然对流换热实验
实验三、空气沿横管外表面自然对流换热实验一、实验目的1、测定无限空间内水平横管和空气间自由流动时的放热系数。
2、根据自由流动放热过程的相似分析，将实验数据整理成准则方程式。
3、通过实验加深对相似理论的理解，并初步掌握在相似理论指导下进行实验研究的方法。
二、实验原理根据相似原理，空气自由流动放热过程准则方程由下式描述：)(γγP G f N u ⋅=通常用幂函数形式来表示：n u P G c N )(γγ⋅=通过实验确定准则方程式的函数形式，即确定准则方程式中的系数C 和指数n 。
λαdN u =2322υβνβγtd g tg G ∆=∆=ανγ=P（ P γ准则数也可以根据定性温度由书后附录查得）d —定型尺寸即横管外径； g —重力加速度：t m —定性温度。
t m =2w ft t +△t — △t=t w -t fv —空气运动粘度； λ—空气导热系数； β—空气容积膨胀系数，β=1mT 为了具体确定（1）式，根据相似定理，通过实验测得或者从书后附录中查得上述所有物理量。
而放热系数α是通过计算求得的。
由热量平衡，水平横管内电加热器发出的热量等于横管上空气自由流动放热量加横管辐射换热热量。
电加热器发热量Q=IV （W ） 横管上空气自由流动放热量Q=αF （t w -t f ） （W ）其中；F=dI π2（m ） I 为计算管长（m ）。
横管辐射换热量Q=44[100100f o T T C F ωε-（）（） ] （W ） 其中： ε—横管表面黑度，查附录7，磨光的铬ε=0.058；Co —黑体辐射系数，Co=5.67（W/㎡•K 4） 由于： Q=Q 1+Q 2 即：IV=4[100f o T Ft t C F ωωαω-+-4f T （）（）（）]10044[]100W O f T IV C F F t t ωεα--=-f T （）（）100（）W/㎡•℃ （2）三、实验装置实验装置有试验管（为降低辐射散热量的影响，试管表面镀铬抛光），放试验管的支撑架，转换开关盒等。
《传热学》实验 自然对流横管管外传热系数测试
实验 自然对流横管管外传热系数测试一、实验目的和要求1.了解空气沿管表面自然对流传热的实验方法，巩固课堂上学习的知识；2.测定单管的自然对流传热传热系数h ；3.根据对自然对流传热的相似分析，整理出准则方程式。
二、实验原理对铜管进行电加热，热量应是以对流和辐射两种方式来散发的，所以对换热量为总热量与辐射热换热量之差，即：r c Φ+Φ=Φ)(f c t t hF -=Φω⎥⎦⎤⎢⎣⎡----=44)100(100()()(f f f T T t t Co t t A IV h ωωεωΦr ——辐射换热量Φc —对流换热量ε—试管表面黑度C o —黑体的辐射系数t ω—管壁平均温度t f —室内平均温度h —自由运动系数根据相似理论，对于自由对流放热，努谢尔特数Nu 是葛拉晓夫数Gr ，普朗特数Pr 的函数即：)(r r u P G f N =可表示为nr r u P G c N )(=其中c 、n 是通过这个实验所确定的常数。
为了确定上述关系式的具体形式，根据所测定的数据计算结果求得准则数：λhdNu =33v d t g Gr v α∆=Pr 、αv 、λ、v 物性参数由定性温度从教科书中查出。
改边加热量，可求得一组准则数，把几组数据标在对数坐标纸上得到以Nu 为纵坐标、以Gr 、Pr 为横坐标的一系列点，一条直线，使大多数点落在这条直线上或周围，根据：这条直线的斜率即为n,截距为c 。
Pr)lg(lg lg ⋅+=Gr n c Nu三、实验装置以及测量仪表实验装置有试验管（四种类型），测量仪表有电位差计、TDGC型接触式调压器、稳压器、电流表、电压表。
实验管上有热电偶嵌入管壁，可反应出管壁的热电势；电位差计用于测量室内和管壁的电热势；稳压管可稳定输入电压，使加热管的热量保持一定；电压、电流表测定电加热器的电压和电流。
如图7-1所示。
图7-1四、实验步骤1.按电路图接好电线，经指导老师检查后接通电源；2.调整稳压器，对试验管加热；3.稳定六小时后，开始测管壁温度，计下数据；4.间隔半小时再计一次，直到两组数据一致为止；5.选两组接近的数据取平均值，作为计算数据；6.计下半导体温度计指示的空气温度或用玻璃温度计；7.经过指导老师同意，将调压器调整回零位，切断电源。
2016-2017年实验二,空气沿水平圆管外表面的自然对流换热系数（总结）
实验二、 空气沿水平圆管外表面的自然对流换热系数一、实验目的1．测定空气沿水平圆管外表面的自然对流换热系数。
并将数据整理成准则方程式。
2．了解对流换热系数的实验研究方法，学会用相似准则综合实验数据的方法，认识相似理论在对流换热实验研究中的指导意义。
二、实验原理实验研究的是受热体（圆管）在大空间中的自然对流换热现象。
根据传热学和相似原理理论，当一个受热表面在流体中发生自然对流换热时，包含自然对流换热系数的准数关系式可整理为：()nb b Grc Nu Pr ⋅= (2-1) 式中： λalNu =——努谢尔特准数；t vgl Gr ∆⋅=β23——葛拉晓夫准数； l —物体的特性尺寸，实验中为管径d ；α —对流换热系数(W/m 2·℃)；λ —— 流体（空气）的导热系数(W/m 2·℃)；v —— 流体（空气）的运动粘度(m 2/s ）；m T /1=β——流体的体积膨胀系数(1/K)。
T m ——定性温度，实验中取()2732/0++=t t T w m ，t w 和t 0分别为圆管壁面温度和室内温度；0t t t w -=∆是过余温度（℃）；c 、n ——待定实验常数，需根据实验数据用最小二乘法进行确定。
角标“b ”表示以边界层平均温度作为定性温度。
由于在一般情况下，实验管表面散失热量Q 以对流和辐射两种方式散发的。
r c Q Q Q += (2-2)式中，Q — 表面散失热量 (W)，；Q ＝IV ；Q c — 自然对流散失热流量 (W)Q r — 辐射散失热流量 (W)。
实验管可以被看做为被其他物体（房屋、地面）包围的面积很小的凸物体，它的辐射热量为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=44100100O W O s T T F C Q ε（W ） (2-3)C 0为绝对黑体辐射系数，C 0＝5.67（W/m 2·K 4）；T w 、T o 分别为壁温和周围物体的平均温度 (K)（近似取室温）；F 为实验管辐射散热有效面积即为其圆周面积（m 2）。
自由对流横管管外放热系数的测定实验指导书
实验指导书自由对流横管管外放热系数的测定一、实验目的1.了解空气沿管表面自由放热的实验方法，巩固课堂上学过的知识；2.测定单管的自由运动放热系数h；3.根据对自由运动放热的相似分析，整理出准则方程式。
二、实验内容1.测定单管的自由运动放热系数h，整理出准则方程式。
三、仪器设备自然对流实验装置。
实验装置有实验管（四种类型），支架、测量仪表电控箱等组成。
实验管上有热电偶嵌入管壁，可反映出管壁的温度，由安装在电控箱上的测温数显表通过转换开关读取温度值。
电加热功率则可用数显电压表、电流表测定读取并加以计算得出。
图1 自然对流实验装置图2 实验横管示意图四、所需耗材无五、实验原理、方法和手段对铜管进行电加热，热量应是以对流和辐射两种方式来散发的，所以对换热量为总热量与辐射换热量之差，即：r c Q Q Q +=IU Q =)(f w c t t hA Q -=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=440r 100100f w T -T εA C Q Q — 总换热量，W;r Q — 辐射换热量，W;c Q — 对流换热量，W; I — 加热电流，A ； U — 加热电压，V ；A — 圆管外表面积，m 2，πdL A =，d 与L 分别为圆管的外径和长度；ε — 试管表面黑度；0C — 黑体的辐射系数，5.67w/m 2k 4；w t — 管壁平均温度，取各测点平均温度，℃；f t — 室内空气温度，℃；w T — 管壁平均温度热力学温度，15.273+=w w t T ，K ；f T — 室内空气温度热力学温度，15.273+=f f t T ，K ； h — 自由运动放热系数，w/m 2·℃；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 、室内空气温度f t ，已知圆管的直径d 和长度L ，计算出圆管外表面积A ，计算出单管的自由运动放热系数h 。
h 计算公式：()()])100()100[()()(440f w f w f w f w r f w T T t t C t t A IU t t A Φt t A Φh ----=---=ε根据相似理论，对于自由对流放热，努谢尔特数Nu ，是葛拉晓夫数Gr 、普朗特数Pr 的函数即：Pr),(Gr f Nu = 可表示成 n Gr c NuPr)(⋅=其中n c ,是通过实验所确定的常数，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准则数：λhdNu =23νβd t g Gr ∆=d —特征尺寸，本实验中即为铜管外直径。
自然对流横管管外对流换热系数测试
实验一 自然对流横管管外对流换热系数测试一、 实验目的1. 了解空气沿横管表面自然对流换热系数的实验方法，巩固课堂上学过的知识；2. 测定单管的自然对流换热系数；3. 根据相似性分析，整理出准则方程式。
二、 实验原理对不锈钢水平圆管进行电加热后，热量是以对流和辐射两种方式散失到周围空气，因此横管的输入电功率等于对流换热与辐射换热量之和，即：r = [W]c IV ΦΦ+Φ=()c [W]w f hA t t Φ=−44r 5.67 [W]100100f w T T A ε⎡⎤⎛⎫⎛⎫Φ=−⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎢⎥⎝⎭⎣⎦故()4425.67 [W/m ]100100f w w f w f T T IV h t t A t t ε⎡⎤⎛⎫⎛⎫=−⋅⎢⎥⎪ ⎪−−⎝⎭⎢⎥⎝⎭⎣⎦－℃ 式中：Φc ——对流换热量,W ； Φr ——辐射换热量，W ；I ——加热电流，A ； V ——加热电压，V ；h ——横管表面自然对流换热系数，W/m 2·℃； A ——圆管表面积，A=πdL ，m 2； t w ——横管表面平均温度，℃； t f ——室内空气温度，℃；ε——横管表面黑度。
根据相似理论，对于自然对流换热，努谢尔特数Nu 是格拉晓夫数Gr 、普朗特数Pr 的函数，即：()Pr Nu f Gr =⋅上式一般可表示成幂函数的形式：()Pr nNu c Gr =⋅定性温度为流体与壁面的平均温度()12m w f t t t =+，特征尺寸为管子内径。
c 、n 是通过实验所确定的常数。
Nu 、Gr 、Pr 数的定义可参考讲义，空气的物性参数可据定性温度由物性参数表查出。
改变工况（加热量），可求得一组准则数，把几组数据标在对数坐标纸上即可得到以Nu为纵坐标、以Gr、Pr为横坐标的一系列点，通过这些点用最小二乘法拟合一条直线，根据：()Nu c n Gr=+⋅即Y A nXlg lg lg Pr=+这条直线的斜率即为n，截距为c。
试验三空气沿水平圆管外表面的自然对流换热系数
式中，V——烟气试样体积（毫升）； V1——烟气被KOH吸收后的体积（毫升）；
升）；V2——烟气被焦性没食子酸钾溶液吸收后的体积（毫 V3——烟气被氯化亚铜氨溶液吸收后的体积（毫升）。
⒊计算空气过剩系数
N2
N2
79 21
O2
1 2
CO
4.分析、讨论实验结果。
六、实验注意事项：
3、间隔10分钟，测一组管壁数据，直至前 后两组数据接近时为止，以这两组数据的平均值 作为计算数据Tw。
4、改变加热功率（即电压）至新工况，重 复上述步骤，进行实验4－6次。
5、操作过程：
（1）用水准瓶分别调节各吸收瓶内吸收液的液 面，使各瓶内吸收液充满至阀门处。
注意：在调节某一吸收瓶内的吸收液封时，应 关闭其他吸收瓶的开关。
（2）关闭K1至K6开关，打开K7及K8，提高水准 瓶，使指示液充满量管，将管路中空气排出，把烟 气试样接入干燥管进口，关闭K8，打开K6，降低水 准瓶，使烟气吸入量管。然后打开K8，提高水准瓶 此时吸入之烟气连同管路中的残余空气一起排出。 这样整个管路均被烟气“清洗”了一次，若“清洗” 不净，可再“清洗”1至2次。
用相似准则综合实验数据的方法，认识相似理论在 对流换热实验研究中的指导意义。
二、实验原理
当固体表面与流过该表面的流体之间存在温度 差时，固体表面与流体之间产生的热量交换现象称 为对流换热。对流换热过程是硅酸盐工业热工设备 中最主要的换热过程之一。由于对流换热一方面依 靠流体分子之间的导热作用，同时还受到流体宏观 运动的控制，因而影响对流换热的因素很多，主要 有三个方面，即流动工况、表面状态和工质物性。 从而使得对流换热过程成为所有换热过程中最复杂 的一种，亦使得实验研究成为研究对流换热过程的 一个极为重要的手段和解决问题的基本途径。
黑色冶金技术《气流横掠单管表面对流换热实验》
气流横掠单管外表对流换热实验一、实验目的1． 了解对流放热的实验研究方法；2． 学习测量风速、温度及热量的根本技能；3．测定空气横掠单管外表的平均放热系数，并将实验数据整理成准那么方程。
一、 实验原理根据牛顿公式，壁面平均放热系数α，可由下式计算：α=)t -t (F Q f w c )C *m /W (2 〔1〕式中c Q ：单位时间对流放热量，W ；F ：实验管有效放热面积，2m ；w t ：实验管壁面平均温度，C ；f t ：实验管前后流体平均温度，C 。
根据相似理论，流体受迫外掠物体的放热系数α与流速W 、物体几何尺寸及流体的物性等因素有关，可整理成下述准那么方程式：uf N =C m rf n ef P R 〔2〕由于实验中，流体为空气，r P =常数，故式〔2〕可简化为：uf N =C n ef R 式中：u N ：努谢尔准那么，u N =fd e R ：雷诺准那么，e R =d ：实验管外径，m ；w ：流体流过实验段最窄截面处的流速；s /m ； λ：物体导热系数,)C *m /(W ；ν：流体运动粘度,s /m 2。
准那么中的脚标“f 〞表示用流体的平均温度f t 作为定性温度。
本实验的任务是测定N和e R，准那么中所包含的u各量,如t、w、d、ν、λ，用式〔1〕计算出α组成准那么,然后通过数据处理,求得c与n值,从而建立准那么方程式〔3〕。
三、实验设备本对流放热实验在风洞中进行。
实验风洞主要由有机玻璃风洞本体、构架、风机、实验管、电加热器及热工仪表〔水银温度计、倾斜式微压计、皮托管、电位差计、电流表、电压表以及调压变压器〕组成〔图1〕。
风洞本体包括：双扭曲线进风口、蜂窝器、金属网、第一测试段、第二测试段、收缩段、测速段、扩大段等。
图1实验风洞简图1．双扭曲线进风口；2．蜂窝器；3．测试段；4．收缩段‘5．测速段；6．扩大段；7．橡皮接管；8．风机在实验段中装有实验管，铜管管壁嵌有4对热电偶以测壁温，管内装有电加热器以作为热源。
山大传热学实验二空气沿横管表面自然对流换热实验-2023 (2)
传热学实验二 空气沿横管表面自然对流换热一、 实验目的1. 测定大空间内横管周围空气自然对流时的表面传热系数；2. 根据自然对流换热过程的相似分析，将多个工况的实验数据整理成大空间自然对流实验关联式；3. 通过实验加深对相似理论和自然对流换热规律的理解，并初步掌握在相似理论指导下进行实验研究的方法。
二、 实验原理1. 被加热的水平横管，其表面壁温为t w ，周围环境空气温度为t f 。
当 t w ＞t f 时，横管附近空气由于受到横管的直接加热，导致温度升高，密度变小；又因为密度的不均匀而引起浮升力，使得横管周围的空气开始沿横管表面向上运动，而周围的空气又补充到横管周围，如此循环，形成自然对流换热。
2. 根据牛顿公式，在稳定状态下，加热横管表面由于对流换热而散失的热量Q c可由下式计算：Q c =ℎA(t w −t f ) W （1）式中：h ——壁面平均换热系数，W/（m 2·K ）； A ——横管有效换热面积，m 2； t w ——横管壁面平均温度，℃；t f ——空气主流温度，℃。
3. 考虑横管表面对空间辐射的影响，还有一部分热量由管壁以辐射方式向外散热，散热量可由下式计算：Q R =εδA [(T w 100)4−(T f100)4] W （2）式中：ε——管子表面黑度（ε1＝0.11，ε2＝ε3＝ε4＝0.15）； δ——黑体辐射常数，δ＝5.67 W/（m 2·K 4）; A ——管子表面积，m 2； T w ——管子壁面平均温度，K ；T f——空气温度，K。
4.根据式（1）和式（2），当达到稳定状态时，横管传给空气总的热量，在忽略管子端部散热的前提下，应等于管子内部电加热器所产生的热量Q，即Q= Q c+Q R=IU，因此若测得壁温t w和空气温度t f，那么对流换热系数h，可由下式求得：ℎ=Q−Q RA(t w−t f)=IU−εδA[(T w100)4−(T f100)4]A(t w−t f)（3）5.根据相似原理，自然对流换热过程准则方程由（4）式所示：Nu=C(Pr∙Gr)n（4）Nu=ℎdλ（5）Pr=νa（6）Gr=gβd3Δtυ2（7）式中：Nu——努塞尔数；Gr——格拉晓夫数；Pr——普朗特数，由定性温度查附录空气参数表；λ——空气导热系数，W/(m·K)；d——横管外径，m；β——空气的体积膨胀系数，理想气体β=1t m+273.15，-1K；ν——流体运动粘度，m2/s；Δt——壁面与空气的温差，℃。
空气横掠单圆管时自然对流换热实验
空气横掠单圆管时自然对流换热实验空气横掠单圆管时自然对流换热实验一、实验目的1. 测定水平圆管加热时周围空气自然对流换热平均表面传热系数h。
2. 根据自然对流放热过程的相似分析，将实验数据整理成准则方程式。
3. 通过实验加深对相似理论基本内容的理解。
二、实验原理根据相似理论，空气沿水平管外表面自然对流时，一般可以得到以下指数形式的准则关系式:nNu=C(GrPr) (1) 式中，Nu，努谢尔特准则:Nu=hD/, (2) Gr，格拉晓夫准则:32Gr=g,?tD/v (3) Pr，普朗特准则，是温度的函数。
C和n均为常数。
我们的任务就是通过实验确定式中的这两个常数。
在准则式中，空气的导热系数,，运动粘度v，以及普朗特准则数Pr可以根据实验管壁面温度t和环境空气温度t的平均值t，查阅有关手册内插得到。
空气的容积膨胀wfm系数, 取理想气体的膨胀系数, , =1/T。
g是重力加速度，D是管子直径，?t 是远离管壁的m空气温度差，?t=t,t，t为空气温度，t为管外壁温。
关键的是对流换热表面传热系数hwffw的确定。
由对流换热表面传热系数h的定义:h=Q/F?t (4) a式中，Q为水平管外表面与周围空气之间的对流换热量，水平管的外表面积F=DL，L为,a水平管的有效长度。
在气体中的对流换热，不可避免的会伴随有换热壁面与周围环境的辐射换热，因此，则管的实际传出热量为对流换热和辐射换热量之和:,844Q=Q+Q=hF(t,t)+CF(T,T)×10 ,arwf0wf,,24式中，为实验管外表面的黑度，黑体辐射系数C=5.67W?m?K。
在这里，假定了环,0境温度即空气温度。
于是，水平管外表面对流换热表面传热系数就可以由下式确定:,844h=[Q/F,C(T,T)×10]/ (t,t) (5) ,0wfwf由式(5)，对给定外径为D和长度为L表面黑度, 确定的水平实验管，只要测量管的实际传出热量Q、管外壁温t、远离壁面约1米处空气的温度t、就可以确定水平管外表面wf对流换热表面传热系数h。
热工基础教学实验简介
热工基础教学实验简介热工实验室现有实验人员2人,担负着热工、储运、装控、石工、材控、安全、建环等专业的实验教学任务,每年要为近60个班2000多名学生开课,实验实际学时620多学时。
实验室可以开出实验项目20多个，所有实验项目都对外开放。
为了使实验室工作上一个新水平,我们认真贯彻《高等学校实验室工作规程》精神,认真做好实验室管理和实验教学工作，能够做到实验教学文件齐全,实验教学过程规范。
下面是各实验的简单介绍。
一、空气沿横管外表面自然对流换热规律地点：基础实验楼B103本实验装置用于传热学课实验,结合课堂内容”自然对流换热”部分,让学生通过实验和数据处理, 学习自然对流换热的实验研究方法，测定空气沿横(竖)管外表面自然对流换热系数，并把数据整理成准则方程式。
实验学时： 2 ，每组人数： 2 ，适应专业：热工、储运、建环、石工、材控、安全。
共约1000人训练学生技能基本要求：①运用所学传热学知识指导实验；②学习自然对流换热问题的实验研究方法，理解复合换热系数、对流换热系数的定义；③掌握实验装置的结构、原理、线路以及消除实验误差的措施；④学会用所测温度、热电势数据通过线性回归方法求出准则方程式Nu=C(Gr.Pr)n。
可供上课仪器套数：8套。
二、热电偶测温技术地点：基础实验楼B103该实验是我们自制的实验装置，用于传热学课和热工检测技术课实验,结合课堂内容“温度”和“温度测量”等内容，让学生了解热电偶测温原理、线路，学习热电偶测温技术，掌握电位差计使用方法。
实验学时： 2 ，每组人数： 2适应专业：热工、储运、建环、石工、材控、安全。
共约1000人训练学生技能基本要求：①自己动手连接各种测温线路，做到会接线、会锡焊、会测量。
②掌握以下测温线路：单点测温线路；多单点测温线路；温差测温线路；串联测温线路；并联测温线路；多点测温线路；组合测温线路。
③掌握电位差计对标准、读数等测量技术④学会用温度——电势表查出所测的温度。
气体横掠单管表面对流换热实验
创新实验课流体力学多尺度流动创新实验实验报告姓名：学院：学号：实验名称：气体横掠单管表面对流换热系数实验气体横掠单管表面对流换热一、思考题1、答：（1）流动状态的影响层流底层薄，动力消耗大。
（2）强制对流和自然对流的影响强制对流：外部机械作功,一般u较大，故较大。
自然对流：依靠流体自身密度差造成的循环过程,一般u较小，也较小。
（3）流体物性的影响的影响：的影响：的影响：单位体积流体的热容量大，则较大的影响:定性温度：各种表面传热系数所用数据的特征温度。
（5）传热面条件的影响不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。
定型尺寸：对表面传热系数有决定性影响的特征尺寸。
（6）相变化的影响一般情况下，有相变化时表面传热系数较大，机理各不相同，复杂。
2、答：壁面温度温度稳定测得的数据减小了导热对对流换热的影响，进而减小实验误差，有利于准确的测出对流换热系数，得到回归准则方程。
二、数据整理根据每次实验工况所测数据计算整理得出相应的Nu、Re的值，连同其它组的实验数据，在双对数坐标纸上，以Nu为纵坐标，Re 为横坐标。
将各个工况点标示出。
它们的规律可以近似的用一条直线表示：则Nu、Re之间的关系可近似表示成幂函数形式：．根据实验数据用最小二乘法或作图方法得出上述关联式中的C和n的值。
三、实验收获在本次实验中，我加深了流体力学和传热传质相关知识的理解，掌握了相关知识的应用，很建议在学习传热学的时候可以上这门实验课，对于知识的掌握和应用有很好的帮助。
【精品】横管表面空气自然对流换热
【精品】横管表面空气自然对流换热
横管表面空气自然对流换热是指热载体在横向运动过程中与周围空气发生热交换的过程。
该过程的热传递方式为自然对流传热。
这种方式非常常见，特别是在实际工程中，例如散热器、半导体片、热交换器等。
在横管表面空气自然对流换热中，空气在管道上方和下方形成两个臭氧温区，其间存在逐渐变化、较为复杂的温度分布。
在温度高处，气体密度小，气体上升；在较低温区，气体密度大，气体下沉。
通过这种方式，形成空气自然对流。
横管表面自然对流传热的基本传热方程为:
Q_h = α_h × A_h × (T_s - T_m)
其中，Q_h为单位时间内从管子表面发出的热量，α_h为管子
的自然对流传热系数，A_h为管子表面积，T_s为管子表面温度，T_m为空气的平均温度。
自然对流传热系数α_h随着管子长、管径、空气密度和粘度、温差等因素的不同而变化。
一般情况下，自然对流传热的系数要比强制对流传热的系数要小，但是自然对流传热无需额外的能源消耗，因此在某些特定条件下，自然对流传热更加适宜。
总之，横管表面自然对流传热是一种重要的热传输方式，应用广泛，在众多实际工程中都起到了不可替代的作用。
实验二 横管自然对流传热规律实验研究
1
Nu
Gr
hd
gtd 3
2
式中，Pr、α、λ、ν为空气的物性参数，由定性温度 tm 从教科书中查出。t m d 为定型尺寸,取管外径， t t w t ； 值，温，取各测点温度平均 Tm
t1 t 2 t n 。 n
2
显表通过转换开关读取温度值。电加热功率则可用数显电压表、电流表读取，并计算出加热 功率。 四、实验步骤 1．熟悉实验装置的组成、各部分的作用、测量线路和加热线路。 2．实验装置已提前加热基本趋于稳定，实验时不要调节加热电压。 3．开始测量各参数。管壁温度通过数显仪表和按键开关依此测量，其中 1#、2# 管有 6 个测温点，3#、4# 管有 4 个测温点， 室内空气温度 t 用数显温度计测量，加热电流和加 热电压直接从数显仪表上读取。 4．间隔 20 分钟再测一次，若两次数据误差小于 1%，则说明达到稳态，即不再测量。 用最后一次测的数据进行数据处理。若误差较大，可过 20 分钟再测一次。 5．测量完结束实验，但不要关闭电源，以备后面的同学进行实验。 6．测试数据记录表 按表测量管壁温度 tw1,Tw2,tw3…twn 室内空气温度 t∞、电流 I、电压 V。记录在表中。 管 号 测量 次数 tw1 1 1# 2 1 2# 2 1 3# 2 1 4# 2 五、实验数据处理 1．已知数据 管号 1# 2# 3# 管径 d(m) 0.08 0.06 0.04
实验二
横管自然对流传热规律实验研究
一、实验目的 1．了解空气沿横管表面自然对流传热规律的实验研究方法，巩固课堂上学过的传热学 知识。 2．测定横管的自然对流传热系数 h。 3．通过数据处理，整理出自然对流传热准则方程式。 二、实验原理 对横管进行电加热，热量应是以对流和辐射两种方式来散发的，所以对流换热量为总 热量与辐射热换量之差，即：
空气沿横管外表面自然对流实验系统_宋艺新
收稿日期:2003-03-11作者简介:宋艺新(1956)),女,高级实验师1空气沿横管外表面自然对流实验系统宋艺新,段远源(清华大学热能工程系,北京 100084)摘 要:文章介绍了空气沿横管外表面自然对流实验的实验原理和实验系统设计。
新设计的实验系统结构合理,实验台的8根加热管可同时加热,也可分别加热,组合灵活。
实验台具有使用安全、维修、安装方便的特点。
对实验数据的分析和比较表明,本系统具有较高精度,可满足实验教学要求。
关键词:空气;横管;自然对流;教学实验中图分类号:T K 123 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2003)05-0005-04通过实验求取自然对流换热的经验关联式,是热工教学与科研实验中重要而可靠的手段。
空气沿横管外表面自然对流实验是热工教学中的经典实验之一,国内很多高校均建有该实验装置。
在清华大学985教学经费的支持下,我们设计和新建了一套横管外表面的大空间自然对流实验系统,可测定横圆管加热时周围空气自然对流换热的表面传热系数;采用了一些新的实验技术,提高了实验精度,达到了较好的实验教学效果。
1 实验原理根据相似理论,空气沿横管外表面自然对流时,一般可得到以下指数形式的准则关系式:N u =C(GrPr )n (1)式中努谢尔特准则数Nu 和格拉晓夫准则数Gr 分别为:N u =hD /K (2)Gr =g B $tD 3/T 2(3)普朗特准则数Pr,是温度的函数,C 和n 均为常数。
通过实验确定C 和n 这两个常数,就可得到空气沿横管外表面自然对流的基本规律。
在Nu 和Gr 准则数中,空气的导热系数K 、空气的运动粘度v(以及空气的Pr 数)可根据实验管壁面温度t w 和环境空气温度t air 的平均值t m 查阅有关手册得到。
空气的容积膨胀系数B 取理想气体的膨胀系数,B =1/T m 。
g 是重力加速度,D 是管直径,$t =t w -t air 是壁面与远离管壁空气的温度差。
自然对流横管管外对流换热系数测试
实验一 自然对流横管管外对流换热系数测试一、 实验目的1. 了解空气沿横管表面自然对流换热系数的实验方法，巩固课堂上学过的知识；2. 测定单管的自然对流换热系数；3. 根据相似性分析，整理出准则方程式。
二、 实验原理对不锈钢水平圆管进行电加热后，热量是以对流和辐射两种方式散失到周围空气，因此横管的输入电功率等于对流换热与辐射换热量之和，即：r = [W]c IV ΦΦ+Φ=()c [W]w f hA t t Φ=−44r 5.67 [W]100100f w T T A ε⎡⎤⎛⎫⎛⎫Φ=−⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎢⎥⎝⎭⎣⎦故()4425.67 [W/m ]100100f w w f w f T T IV h t t A t t ε⎡⎤⎛⎫⎛⎫=−⋅⎢⎥⎪ ⎪−−⎝⎭⎢⎥⎝⎭⎣⎦－℃ 式中：Φc ——对流换热量,W ； Φr ——辐射换热量，W ；I ——加热电流，A ； V ——加热电压，V ；h ——横管表面自然对流换热系数，W/m 2·℃； A ——圆管表面积，A=πdL ，m 2； t w ——横管表面平均温度，℃； t f ——室内空气温度，℃；ε——横管表面黑度。
根据相似理论，对于自然对流换热，努谢尔特数Nu 是格拉晓夫数Gr 、普朗特数Pr 的函数，即：()Pr Nu f Gr =⋅上式一般可表示成幂函数的形式：()Pr nNu c Gr =⋅定性温度为流体与壁面的平均温度()12m w f t t t =+，特征尺寸为管子内径。
c 、n 是通过实验所确定的常数。
Nu 、Gr 、Pr 数的定义可参考讲义，空气的物性参数可据定性温度由物性参数表查出。
改变工况（加热量），可求得一组准则数，把几组数据标在对数坐标纸上即可得到以Nu为纵坐标、以Gr、Pr为横坐标的一系列点，通过这些点用最小二乘法拟合一条直线，根据：()Nu c n Gr=+⋅即Y A nXlg lg lg Pr=+这条直线的斜率即为n，截距为c。
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实验三、空气沿横管外表面自然对流换热实验
一、实验目的
1、测定无限空间内水平横管和空气间自由流动时的放热系数。
2、根据自由流动放热过程的相似分析，将实验数据整理成准则方程式。
3、通过实验加深对相似理论的理解，并初步掌握在相似理论指导下进行实验研究的方法。
二、实验原理
根据相似原理，空气自由流动放热过程准则方程由下式描述：
)(γγP G f N u ⋅=
通常用幂函数形式来表示：n u P G c N )(γγ⋅=
通过实验确定准则方程式的函数形式，即确定准则
方程式中的系数C 和指数n 。
λ
αd
N u =
2
32
2υβνβγt
d g t
g G ∆=
∆=
α
ν
γ=P
（ P γ准则数也可以根据定性温度由书后附录查得）
d —定型尺寸即横管外径； g —重力加速度：
t m —定性温度。
t m =
2
w f
t t +
△t — △t=t w -t f
v —空气运动粘度； λ—空气导热系数； β—空气容积膨胀系数，β=
1
m
T 为了具体确定（1）式，根据相似定理，通过实验测得或者从书后附录中查得上述所有物理量。
而放热系数α是通过计算求得的。
由热量平衡，水平横管内电加热器发出的热量等于横管上空气自由流动放热量加横管辐射换热热量。
电加热器发热量
Q=IV （W ） 横管上空气自由流动放热量
Q=αF （t w -t f ） （W ）
其中；F=dI π2
（m ） I 为计算管长（m ）。
横管辐射换热量
Q=4
4[100100
f o T T C F ωε-（
）（） ] （W ） 其中： ε—横管表面黑度，查附录7，磨光的铬ε=0.058；
Co —黑体辐射系数，Co=5.67（W/㎡•K 4
） 由于： Q=Q 1+Q 2 即：
IV=4[100f o T F
t t C F ωωαω-+-4
f T （）（）（）]100
44
[]
100W O f T IV C F F t t ωεα--=-f T （）（）100（）
W/㎡•℃ （2）
三、实验装置
实验装置有试验管（为降低辐射散热量的影响，试管表面镀铬抛光），放试验管的支撑架，转换开关盒等。
测量仪表有电位差计，直流电源。
试验管上有热电偶（4对）嵌入管壁，可反映出管壁的热电势；电位差计上的“未知”接线柱按极性和转换开关盒上的接线柱（红正黑负）相连，用于测量室内空气和管壁的热电势；直流电源可输入稳定的电压和电流，使加热功率保持恒定
四、实验步骤：
1、连接加热器线路，经验查无误后即可接同电源，调节变压器到所需电压，进行加热。
2、正确连接热电偶测温线路，
3、每隔十分钟测热电偶电势一次，当电势不再随时间而变时，加热达到了稳定工况，以连续二次测定的平均值为测定结果，记录下来。
4、测定远离水平管处的空气温度t f 。
5、调节变压器，以达到在另一个温度下的稳定工况，以取得另外一组实验数据。
记 录 表 试件
编号＿＿＿＿＿＿＿ 长度L=＿＿＿＿＿m 直径d=＿＿＿＿m
注意事项：试验进行过程中不要进入玻璃层内。
五、实验结果计算及整理
1、计算壁面平均温度t w 室温 t f ；
2、计算加热量Q=IV ；
3、按（2）式算出α值；
4、算出定性温度t m ，并由此温度查空气物性数据；
5、计算Num 及Gr 、Pr 和（Gr ，Pr ）值；
每个同学由于作了二次试验，各有两套数值，连同另外三组总共得到8个数据。
在IgNum-Ig （Gr •Pr ）m 图上可以作出点过8点作出直线（使直线与8个点距离尽量靠近）
6、在所作直线上任取二点①、②，按下式计算n 值 N=tg φ
=
21r 2r 1
P P u g m g u m g r m g r m I N I N I G I G --（）（）（）（） （3）
7、在①、②点中取一点③按下式计算G 值 r 3
3
P n
r m Num G G =
⋅（） （4） 六、实验报告内容
1、实验过程所测定的数据原始记录；
2、实验结果整理计算书；
3、绘制IgNum-Ig （Gr •Pr ）m 图，并求出C 、n 值，写出准则方程式；
4、实验结果分析和讨论。