空气横掠管束时的强迫对流传热

空气横掠管束时的强迫对流传热

一、实验目的：

1、熟悉实验原理及装置，掌握测定流速、热流量、温度的方法。

2、通过对实验数据的综合整理，进一步了解相似理论的应用。

二、实验原理：

流体横掠管束时的对流传热与横掠单管时不同，除管径影响传热系数外，管距、管排数和排列方式也影响对流传热系数。由于相邻管子的影响，流体在管间的流动截面交叉地减少，流体在管间交替地加速和减速。管距的大小影响流体流动截面的变化程度和流体加速与减速的程度。

从第二排起，后排管子都处于前排管子的尾流中。在尾流涡旋的作用下，后排管子的对流传热系数h比前排高，也就是说，第二排管子受第一排尾部涡流的影响，h2＞h1；第三排管子受第二排尾部涡流影响，而且由于这种涡流经第一排和第二排管束的共同作用，扰动更强烈，所以h3＞h2。同样h4＞h3…，但经过几排管子以后扰动基本稳定，h z几乎不再变化。

图 1 流体横掠管束时的流动情况

管束排列方式对h的影响比较明显。由图1可见顺排时后排管子直接位于前排管子的尾流中，部分管面没有受到来流的直接冲刷，而叉排时后排管子受到前排管子间来流的直接冲刷，因而管子前半部分的传热情况要比顺排好，整个叉排管束的平均对流传热系数比顺排高。工程上大多数管束处于R e不大的情况下，符合上述情况。在R e较高时，由于顺排管束的尾部涡流增强，使后排管子受到尾流影响的面积增加，而且由于涡流增强，扰动更强烈，以致顺排管束的对流传热系数可超过叉排管束。

三、实验装置及测量系统：

1、电源开关

2、仪表开关

3、交流供电开关

4、交流调压旋钮

5、直流大功率电源

6、差压表

7、交流功率表

8、电流表

9、电压表10、十六路温度巡检仪11、四路温度巡检仪12、毕托管13、风道14、热电偶（测来流温）15、热电偶（测管壁温）16、管束试件（顺、叉排）17、交流0~220V（连续可调）供电电极18、变频器

图3 本实验台采用的排列方式和尺寸

四、实验步骤：

1、连接并检查所有线路和设备，在仪表正常工作后，关闭直流供电电源！将交流供电源

开关打开，调节旋纽先转至零位。

2、然后点击变频器的RUN/STOP键，调节变频器使表头显示为10.0Hz左右。将交流电调

节旋纽转至适当位置，注意观察控制箱面板上的功率表，并逐步提高输出功率，对管束缓

慢加热。为避免损坏配件，又能达到足够的测温准确度，加热功率大小的调整以使壁面温

度控制在80℃以下为原则。待设备参数稳定后，可读取第一组试验数据。

3、保持加热功率不变，巡检仪上各温度显示基本稳定后，再将风机频率由0—50Hz定值

递增，每改变一次待稳定后可测到一组数据。试验时对每一种排列的管子，空气流速可调

整5个工况以上，都须保持加热功率不变。温度的高低应根据管子排列不同及风速大小适

当调整，保持管壁与空气来流有适当的温差即可。

4、同时观察毕托管测速风压显示。调压、调频应配合调整直到系统稳定并便于读取温度、风压、直流电流、直流电压值。

五、实验数据的计算与整理：

流体横掠管束时的平均对流传热系数可按下式计算

1,max 2

Pr Re Pr (

)()Pr f

m n

k p uf f f z w s

N c c c s ϕ= （1-1） 式中：

下脚标f —表示定性温度为,f t 按来流温度计算。空气来流温度t f 用水银温度计测量。 Pr ——普朗特数，上式适用于0.7＜Pr f 500. 1s ——横向节距，m 2s ——纵向节距，m

,max Re f ——以流体平均温度下管间最大流速计算雷诺数，

,max 0

,max Re f f f

d υν=

。其中,max f υ为流体平均温度下管间最大流速，m/s ， 0d ——为管子外径，m 。

c, m, n, k, p ——系数和指数 z c ——管排修正系数

c ϕ ——流体斜向冲刷管束时的修正系数

,max f υ——的计算比较麻烦。如已知未进入管束时的流体速度0υ，则在流体入口温度下的最大流速为：

顺排时 '

01

max 10

s s d υυ=

-

差排时max υ为

0110s s d υ-和01

'

202()

s s d υ- 中的最大者，其中'

22

122()2

s s s =

+ 以差排试件为例：采用十八根紫铜管排列，可先算出一根的换热系数 管直径D=10mm 管长为120 mm 。 1、 空气来流速度u

m/s ( 4.3)

其中： – 比托管测得空气的动压， Pa

ρ–空气密度 Kg/m 3

2 、管壁温度t w

由铜-康铜热电偶测得的热电势E （t 1，t f ），可按附录A 确定内壁温度t 1。

试验中，由装在管内壁的热电偶测量管壁温度，直接由巡检仪读出。由于试验管为有内热源的圆筒形壁，且内壁绝热，因此，内壁温度 t 1大于外壁温度t w （根据管内温度可以计算外壁温度t w 。由于所用管壁很薄，仅0.2-0.3mm ，且空气对外管的换热系数较小，可近似认为t w = t 1。

3、加载实验管两端的电功率

由控制面板上的功率表显示。显示功率为总加热功率，每一根加热管功率Q 可由总功率除以加热管根数获得。 Q 4、气流过管外壁时的平均换热系数 α=

()

w f Q

A t t - W(m ℃)

其中：A--试验管外表面积 ㎡ 5、换热准则方程式

将计算得到的某一流速下的每一根加热管的对流传热系数求和，再除以总根数，可得到管排的平均对流传热系数。 十八根管子的平均换热系数：

根据每一试验工况所测得的值，可计算出相应的N u 值及R e 值。

在双对数坐标纸上，以N u 为纵轴，R e 为横轴，将各工况点出，它们的规律可近似地用一直线表示：

即：lgN u =a+lgR e (4.8)

则N u 和R e 之间的关系可近似表示为一指数方程的形式：

N u = CR e m

(4.9)

其中： a=lgC

如用：x=lgR e , y=lgN u ,则可表示成： y=a+mx

根据最小二乘法原理，系数a 及m 可按下式计算：

2

22

()xy x y x a x n x -=

-∑∑∑∑

∑∑ m=

2

2

()x y n xy x n x

--∑∑∑∑∑

其中： n - 试验点的数目

xy = (lgR e )( lgN u )

x 2 = (lgR e )2

在计算 N u 及R e 时所用的空气物性参数λ、ν，以来流温度为定性温度，查有关表格。

六、实验报告要求及注意事项：

实验报告要求 1、 在双对数坐标纸上绘出各实验点，并用最小二乘法求出准则方程式。 2、 将实验结果与有关参考书给出的空气横掠管束时换热的准则方程式与图线

进行比较。并分析有限排管束与教材上给出例题的异同。

注意事项： 1、 首先了解试验装置的各个组成部分，并熟悉仪表的使用，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。启动电源之前，先将电源调节旋钮转至零位：

3、 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。注意电流表上的读数，不允许超出工作电流参考值。试验完毕时，必须先关加热电源，待试件冷却后，再关风机。