具有对流换热条件的伸展体传热特性实验

传热实验指导书

具有对流换热条件的伸展体传热特性实验

上海交通大学

机械与动力工程学院

教学实验中心

二OO四年五月

具有对流换热条件的伸展体传热特性实验

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具有对流换热条件的伸展体传热特性实验

工程中有许多热量沿着细长突出物传递的问题。它的基本特征是：某种细长形状的物体，从某温度的基面伸向与其温度不同的流动介质中，热量从基面沿着突出方向传递的同时，还通过表面与流体进行对流换热。因而沿突出物的伸展方向温度也相应地变化。

本实验是测量一等截面的伸展体，在与流体间进行对流换热的条件下，沿伸展体的温度变化。

一、实验目的及要求

通过实验和对实验数据的分析，深入了解伸展体传热的特性，并掌握求介质具有对流换热条件的伸展体传热特性的方法。

二、基本原理

具有对流换热的等截面伸展体，当长度与截面之比很大时(常物性)其微分方程式为：

222d 0d m x

θθ−= (1.1) 式中：m ——系数，f

u m λα=； θ ——过余温度，θ = t – t f ，℃；

t ——伸展体温度，℃；t f ——伸展体周围介质的温度，℃；

α——空气对壁面的换热系数，W/(m 2·℃)；

u ——伸展体周长。本实验中u =πd 0，m ；

f ——伸展体横截面积，本试件为)(42120d d f −=π

m 2

伸展体内的温度分布规律，由边界条件和m 值定。

三、实验装置及测量系统

本实验装置由风道、风机、实验元件、主付加热器、测温热电偶等组成。详见装置系统图1-1。

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试件是一紫铜管，放置在一风道中，由风机和风道造成空气均匀地横向流过管子表面的对流换热条件。管子表面各处的换热系数基本上是相同的。管子两端装有加热器，以维持两端处于所要求的温度状况。这样就构成了一个两端处于某温度的、中间具有对流换热条件的等截面伸展体。

管子两端的加热器，通过调压变压器来控制其功率，以达到控制两端温度的目的。 为了改变空气对管壁的换热系数，风机的工作电压亦相应地可作调整，以改变空气流过管子表面时的速度。

为了测量铜管沿管长的温度分布，在管内安装有可移动的热电偶测温头，其冷端就放置在空气流中，采用的是铜-康铜热电偶。这样通过UJ −36电位差计测出的热电势，就反映了管子各截面的过余温度。其相应的位置由带动热电偶测温头的滑动块在标尺上读出。

试件的基本参数：

管子外径d 0= 管子内径d 1=

管子长度L = 管子导热系数λ=

四、完成本实验的具体做法

1. 解方程0d d 222=−θθm x

截面积为f ，周长为U 的等截面体，其导热系数为λ，W/(m·℃)，两端分别与相距L 的两大平壁相连接，平壁保持定温t w1和t w2，园棒与空气接触，空气温度为t f （设t w1＞t f ＜t w2＝，棒与

空气的对流换热系数为α

，W/(m 2·℃)，见图1-2，求：

(1) 棒沿x 方向的过余温度θ = t – t f 分布是：θ =θ (x )；

(2) 分析沿x 方向，棒的温度分布曲线的可能形状。分析各参数：L 、U 、f 、λ、α、t w1、t w2、t f 对温度分布的影响；

(3) 棒的最低温度截面的位置表达式(当0＜x ＜L 存在最低温度值时＝；

(4) 棒两端由壁导入的热量Q 1及Q 2。

2. 练习

直径为25mm ，长为300mm 的钢棒[λ=50W/(m·℃)]，两端分别与大平壁相连接。平壁保持定温t w1=200℃，t w2=150℃，钢棒向四周空气散热，空气温度为t f =20℃，对流换热系数为1. 风机；2. 风道；3. 等截面伸展体；4. 主加热器；5. 测温热电偶；6.付加热器； 7. 热电偶拉杆及标尺； 8. 热电偶冷端；9. 电位差计； 10. 电压表；11. 风机变速开关；12. 调压变压器 图1-1 伸展体传热特性实验装置及测量系统图

图1-2

具有对流换热条件的伸展体传热特性实验

α=20 W/(m2·℃)。

(1) 计算温度分布；

(2) 求棒的最低温度点的位置及其温度值，绘出该棒的温度分布曲线；

(3) 求棒向空气的散热量；

(4) 分别求出壁面1和壁面2导入棒的导热量；

(5) 在t w2为什么值时，壁面2为绝热面？并画出温度分布曲线。求每小时散入空气的热量；

以上二项要求在进行实验前完成。

3. 实验要求：

(1) 测出一定条件下，导体内不同截面的过余温度值；

(2) 用测得的不同x位置过余温度θ数据求出实验条件m值及α值；

(3) 根据实验条件，求得的m值，用分析公式计算过余温度分布，过余温度最低值处的位置及其值，并于实测结果比较。

五、实验报告要求及注意事项

1. 实验报告要求：

通过理论分析与实验实测，总结对具有对流换热表面的伸展体传热特性的认识。可以包括具体作法中（1）（3）的基本内容。

2. 注意事项

(1) 调整加热器功率时须注意两端温度不要过高，以免烧坏测温部件。加热电压一般取V ＜100伏为宜。

(2) 实验结束后，先将调压变压器输出调到零，待试件降温至常温后再关掉风机，以免损坏实验装置。

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采用数据采集的伸展体传热特性实验指导书

由于实验台沿管长温度分布的测量方法，已由原来依靠管内可移动热电偶测温头配以电

位差计进行逐点测量，改为沿管长均布8对固定热电偶，并用HP34970A数据自动采集系统测量，因此实验步骤相应作如下改动：

1．检查实验的准备工作：

（1）检查热电偶信号线在采集单元功能插板（HP34901A）上是否接受（管子上8对热电偶接在HP34601A的第1到第8通道上，进风口中热电偶接在第9通道上，而HP34901A插板则必须插在第二槽道，因此该9对热电偶对应的通道号为201到209）。

（2）检查调压变压器电源线及变压器与实验台间的电线是否连妥。调压变压器指针应退到零位。

（3）检查计算机和HP34970A采集单元的电源线及两者之间的接口电缆是否接妥。

2．接通调压变压器电源，小风机即开始运转，调节两调压变压器，使实验台上左右两电压表达到适当的电压值。

3．开启HP34970A采集单元，观察各个通道面板显示值是否正常。

4．开启计算机，进到C盘（或D盘），找到“传热实验”文件夹图标，用鼠标左键双击该图标进入文件夹，找到“伸展体导热实验”图标，双击图标即可运行伸展体实验程序：（1）首先出现标题屏幕（要求输入姓名、班级及学号），按要求输入后按开始钮，进入“实验引导”屏幕。

（2）“实验引导”屏幕要求检查各项准备工作，确认各项实验准备工作已经就绪后，按结束钮，进入测量屏幕，测量屏幕上有四个按钮：测量、存Excel、画图、退出。

（3）待工况稳定后，按测量钮，HP34970A采集单元即对各通道进行多次扫描并算出各通道数据的平均值，完成采集后屏幕上出现“Scan completed”提示，按确认钮后再按存Excal 钮，各通道的平均数据将存入Excel，按屏幕底部任务栏中的测量钮，又回到“测量”屏幕，可按画图钮，屏幕出现实测数据及按数值解法画出的温度分布曲线。至此，实验已完成，在退出实验前，应回到Excel屏幕（按底部任务栏中“Micro…”钮），抄录实验所得的各点温度值，以备写实验报告时用来做数值解法，画出温度分布曲线，与实验值作比较。

（4）按底部任务栏中测量钮回到“测量”屏幕，按退出钮，可退出实验程序。