空氣橫掠單管強(qiáng)迫對流的換熱實(shí)驗(yàn)-2013(1)

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1、實(shí)驗(yàn)2空氣橫掠單管強(qiáng)迫對流的換熱實(shí)驗(yàn)熱交換器中廣泛使用各種管子作為傳熱元件，其外側(cè)通常為流體橫向掠過管子的強(qiáng)制對流換熱方式，因此測定流體橫向掠過管子時(shí)的平均換熱系數(shù)是傳熱中的基本實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)是測定空氣橫向掠過單圓管時(shí)代平均換熱系數(shù)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?、了解實(shí)驗(yàn)裝置，熟悉空氣流速及管壁的測量方法，掌握測試儀器、儀表的使用方法。2、通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合、整理，掌握強(qiáng)制對流換熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理的方法。3、實(shí)驗(yàn)測定空氣橫掠單管時(shí)的平均換熱系數(shù)；了解空氣橫掠管子時(shí)的換熱規(guī)律。、二、實(shí)驗(yàn)原理1.根據(jù)牛頓冷卻公式：(W)(6-2-1)得(W/m2

2、×℃)(6-2-2)式中—對流換熱的熱流，[W]；—對流換熱系數(shù)，[W/m2×℃]；—與流體接觸的物體表面面積，[m2]；—流體平均溫度，[℃]；—物體表面溫度，[℃]。11本實(shí)驗(yàn)采用電加熱的放熱圓管，空氣外掠圓管表面，當(dāng)換熱穩(wěn)定時(shí)，測出加熱電功率，即可得出對流換熱熱流，即：(W)(6-2-3)2.根據(jù)對流換熱的分析，強(qiáng)制對流穩(wěn)定時(shí)的換熱規(guī)律可用下列準(zhǔn)則關(guān)系式來表示：(6-2-4)對于空氣，因溫度變化范圍不大，上式中的普朗特?cái)?shù)Pr變化很小，可作為常數(shù)看待，故式(6-2-4)化簡為：(6-2-4a)式中努謝爾特?cái)?shù)雷諾數(shù)—空氣橫掠單管

3、時(shí)的平均換熱系數(shù)，[W/m2×℃]；—空氣來流速度，[m/s]；—定型尺寸，取管子外徑，[m]；—空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，[W/m×℃]；—空氣的運(yùn)動(dòng)粘度，[m2/s]。要通過實(shí)驗(yàn)確定空氣橫掠單圓管時(shí)的與的關(guān)系，就需要測定不同流速及不同管子直徑時(shí)換熱系數(shù)的變化。因此，本實(shí)驗(yàn)中要測量的基本量為管子所處的空氣流速、空氣溫度、管子表面溫度及管子表面散出的熱量。三、實(shí)驗(yàn)裝置及測量系統(tǒng)11實(shí)驗(yàn)裝置本體是由一風(fēng)源和試驗(yàn)段構(gòu)成。風(fēng)源為一箱式風(fēng)洞，風(fēng)機(jī)、穩(wěn)壓箱、收縮口都設(shè)置在工作臺(tái)內(nèi)。風(fēng)箱中央為空氣出風(fēng)口，形成均勻流速的空氣射流。試驗(yàn)段的風(fēng)道直接放置在出

4、風(fēng)口上。風(fēng)道內(nèi)的空氣流量由變頻器19來調(diào)節(jié)，可以改變實(shí)驗(yàn)段風(fēng)道中空氣流速。圖4-1為測定空氣橫掠單管平均換熱系數(shù)的試驗(yàn)段簡圖。1、電源開關(guān)2、儀表開關(guān)3、交流供電開關(guān)4、交流調(diào)壓旋鈕5、直流大功率電源6、差壓表7、交流功率表8、電流表9、電壓表10、十六路溫度巡檢儀11、四路溫度巡檢儀12、畢托管13、風(fēng)道14、單管試件15、供電電極16、熱電偶（測管壁溫）17、熱電偶（測來流溫）18、分流器19、變頻器11實(shí)驗(yàn)段風(fēng)道13由有機(jī)玻璃制成。試驗(yàn)件14為不銹鋼薄壁管，橫置于風(fēng)道中間。為了保證管子加熱測量及管壁溫度測量的準(zhǔn)確性，管子用低

5、壓直流電直接通電加熱，管子兩端經(jīng)接座與電源導(dǎo)板15連接，并易于更換不同直徑的試驗(yàn)管。為了準(zhǔn)確測定試驗(yàn)管上的加熱功率，在離管端一定距離處有兩個(gè)電壓測點(diǎn)a、b，以排除管子兩端的影響。銅-康銅電偶16設(shè)在管內(nèi)，在絕熱條件下準(zhǔn)確測出管內(nèi)壁溫度，從而確定管外壁溫度。試驗(yàn)管加熱用的低壓大功率直流電源5供給，輸出電流（壓）可改變對管子的加熱功率，電路中串聯(lián)一標(biāo)準(zhǔn)電阻18。用直流電壓表9測量電阻18上的電壓降，然后確定流過單管試件的電流量。試件兩測壓點(diǎn)a、b間的電壓亦用直流電壓表測量。為了簡化測量系統(tǒng)，測量管內(nèi)壁溫度tw的熱電偶，其參考點(diǎn)溫度不是

6、攝氏零度，而是來流空氣溫度tf。即熱電偶的熱端16設(shè)在管內(nèi)，冷端17則放在風(fēng)道空氣中。所以熱電偶反映的為管內(nèi)壁溫度與空氣溫度之差（tw-tf）。風(fēng)道上裝有比托管12，通過差壓變送器由壓力表直接讀數(shù)，測出試驗(yàn)段氣流的動(dòng)壓△P，以確定試驗(yàn)段中氣流的速度v。四、實(shí)驗(yàn)步驟（1）連接并檢查所有線路和設(shè)備，合上背板上的空氣開關(guān)，打開電源、儀表開關(guān)。此時(shí)交流供電開關(guān)應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)！打開實(shí)驗(yàn)臺(tái)右側(cè)的變頻器開關(guān)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率到50Hz即最大風(fēng)量觀察畢托管測定風(fēng)壓值。11（2）打開大功率直流電源，將電流（壓）調(diào)節(jié)旋鈕旋至輸出電流為20-25A。（注意

7、：穩(wěn)壓電源提供的是恒流源。對試件的加熱量主要看供給的電流大小，儀表會(huì)同時(shí)顯示其輸出電壓值。）穩(wěn)定后即可測量各有關(guān)數(shù)據(jù)。（3）保持加熱功率不變，風(fēng)機(jī)頻率減小，穩(wěn)定后又可測到一組數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)對每一種直徑的管子，空氣流速可調(diào)整8個(gè)工況。加熱電流（壓）保持不變，亦可根據(jù)管子直徑及風(fēng)速大小適當(dāng)調(diào)整，保持管壁與空氣中有適當(dāng)?shù)臏夭?。每調(diào)整一個(gè)工況，須待壓力表，熱電偶讀數(shù)等穩(wěn)定后方能測量各有關(guān)數(shù)據(jù)。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算與整理試驗(yàn)用二根不銹鋼管：直徑D=4.0mm和6.3mm范圍，管長為200mm，測壓點(diǎn)ab間距約100mm1.空氣的來流速度根據(jù)伯努

8、力方程，畢托管所測得的氣流動(dòng)壓(N/m2)與氣流速度(m/s)的關(guān)系：(Pa)(6-2-5)(m/s)(6-2-6)式中為空氣的密度（kg/m3)，由空氣溫度查表確定。2、管壁溫度tw由銅-康銅熱電偶測得,試驗(yàn)管為有內(nèi)熱源的圓筒形壁，且內(nèi)壁絕熱，因