实验二 传热学

中国石油大学 传热学 实验报告

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：

r c Φ+Φ=Φ, )(∞-=Φt t hA w c ,⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=Φ∞440100100T T A C w r ε

IV =Φ (W)

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛--

-=-Φ--Φ=∞∞

∞∞∞440100100)()()(T T t t C t t A IV t t A t t A h w w w w r w ε 式中：Φ一加热功率,W ； r Φ一辐射换热量,W ；

c Φ一对流换热量,W ； ε一管表面黑度；

0C 一黑体的辐射系数；67.50=C （W/m 2·K 4） w t 一管壁平均温度, ℃； ∞t 一室内空气温度,℃； A 一管表面积，m 2；

h 一自然对流传热系数,W/(m 2·℃)；

根据相似理论，对于自然对流传热，努谢尔特数Nu 是葛拉晓夫数Gr 、普朗特数Pr 的函数，可表示成：

n

Gr C Nu Pr)(⋅=

其中C 、n 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，根据所测的数据，求出准则数：

λ

hd Nu =

3

3ν

βtd g Gr ∆= 式中，Pr 、α、λ、ν为空气的物性参数，由定性温度t m 从教科书中查出。2

∞

+=

t t t w m ，d 为定型尺寸,取管外径,∞-=∆t t t w 。w t 为横管平均壁温，取各测点温度平均值，即

n

t t t t n

w +⋅⋅++=

21。

测出稳定状态下四根横管的管壁温度、加热功率和空气温度，即可求得4组Nu 、

Gr ·Pr 数，把4组数据取对数绘在直角坐标纸上,得到以lnNu 为纵坐标，以ln(Gr ·Pr)为横坐标的一系列点，画一条直线，使大多数点落在这条直线上或周围，根据：

Pr)ln(ln ln ⋅+=Gr n C Nu ,这条直线的斜率即为n ，截距为ln C 。因此可以求出常数C 和

n 。

三、实验装置及测量仪表

实验装置有实验管(四种类型)，支架、测量仪表电控箱等组成。(见简图)

实验装置示意图

实验管内有加热丝，通一恒定电流可加热，产生的热量通过自然对流传热、辐射传热和轴向导热向周围传递，由于管长径比较大，轴向导热可忽略不计，只考虑自然对流传热、辐 射传热，为了减少辐射传热量，管壁采用电镀，使其黑度系数减小，辐射传热量的比例减小，在总加热功率中减掉辐射传热量，则是自然对流传热量。经过一段时间后，管壁温度趋于稳定，实验管上有热电偶安装在管壁上，可以测出出管壁的温度，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

岸标测量管壁温度t w1,T w2,t w3…t wn 室内空气温度t ∞、电流I 、电压V 。记录在表中。

五、实验数据处理 1．已知数据

2．数据处理

(1) 计算加热的热量Φ=IV （W)、平均壁温、定性温度，定性温度取管壁温度和空气温度的平均值2

∞

+=

t t t w m 。

计算举例：以第一组为例。Φ=IV=1.0×54=54（w ） 平均壁温n t t t t n w +⋅⋅++=

216

1

.692.743.783.874.837.82+++++=

=79.17 2

∞+=

t t t w m 20

.3617.79+==57.59

则所有数据处理后如下表

(2) 计算自然对流传热系数

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛--

-=-Φ--Φ=∞∞

∞∞∞440100100)()()(T T t t C t t A IV

t t A t t A h w w w w r w ε 以管1数据为例：

=⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛--

-=∞∞

∞440100100)(T T t t C t t A IV

h w w w ε⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎭⎫

⎝⎛+-⨯--⨯⨯+⨯⨯4

42100273

0.3610027317.790.3617.7967.511.0)0.3617.79()04.014.36.108.014.3(53 =3.017-0.905 =2.112

同理可以求取其他管数据如下：

(3) 查出物性参数