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空气横向流过单管表面时的换热实验

发布时间：2010/6/8 阅读次数：4350 字体大小: 【小】【中】【大】

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实验二　空气横向流过单管表面时的换热实验

一、实验目的

1、测定空气横向流过单管表面时的换热系数，并将数据整理成准则方程式。

2、了解对流换热的实验研究方法，学习运用相似准则整理实验数据，认识相似理论对对流换热实验研究的指导意义。

3、学习掌握测量风速、温度和热量的基本技能。

二、实验原理

根据牛顿冷却公式，空气与壁面之间平均对流换热系数可由下式计算：

　　 W/(m²·℃) (2——1)

式中：t_w——壁面平均温度，℃

t_r——放热管前后流体平均温度，℃（因加热量很小，空气温度变化很小，可按进口空气温度计算）。

F——管子的外侧表面积，m²

Q——对流放热量，W。

根据相似理论，受迫流动时的对流换热系数与流速、换热面的几何尺寸及流体性质间的关系可用下列准则方程表示，即

Nu=f(Re, Pr)

对于空气其Pr≈常数。故上式可简化为

Nu=f(Re) (2——2)

通常，上式可写成指数函数形式：

Nu=CReⁿ (2——3)

式中e、n——常数，由实验确定。

Nu——努谢尔特准则。Nu。

Re——雷诺准则。Re。

上列各准则中，d——放热管外径，m：U_∞——流体流过放热管最窄截面处的流速，m/s：λ——流体的导热系数，W/(m·℃)：V——流体运动粘度，m²/s：物体参数λ和V按t_m=(1/2)(t_r+t_w)查空气物性表得到。

三、实验设备

本实验所用设备及仪器仪表包括：风洞、横放在风洞中的放热管、换热实验管、温度计、斜管压力计、毕托管、稳压器、电流表、调压器及电位差计。

如图2－1所示，空气由风机7从矩形截面长风洞的入口处吸入，流过横放在风洞中的放热管4。为了减少气流的扰动，风洞内表面很光滑，风洞入口处有栅格2。为了稳定空气的流动，风道由三段组成，即进口段、实验段及出口段。风速用风速调节阀6调节，用毕托管5和斜管压力计测量。

1．风洞进口 2．稳压栅格 3．实验段　4．换热实验管

5．毕托管 6．风洞空气流速调节阀　7．风机

图2－1　实验装置示意图

图2－2　实验装置的测量及调节线路示意图

本实验风洞中横向安装了实验管（放热管），管内装有电加热器（为了减少端部热损失，放热管端部有热绝缘层进行绝热），管壁上嵌有八对热电偶以测壁温。如图2－2。

1．放热管 2．电加热器　3．铜－康铜热电偶

4．转换开关 5．电位差计　6．零点保温瓶

7．电流表 8．电压表　9．调压变压器

四、实验步骤

1、结合课堂学习的有关内容，仔细阅读本实验指导书，对实验目的和原理应有较充分的了解。

2、在熟悉实验装置后，将斜管压力计和毕托管接好，校正零点。将电位差计，电流表，电压表，调压变压器线路接好。经指导教师检查后，确认无误，接通电源，准备启动风机。

3、按风机操作规程（将风机调节阀门开到较小的位置），启动风机，待风机稳定后，调节风量（即风速）至某一数值。

4、将调压变压器指针转至零位，打开稳压器，慢慢调节调压变压器，使电流增大到所要求值，并保持不变。

5、加热几分钟后，测量各热电偶的热电势，并检查反正。此后，每隔5分钟测量一次，直到连续3次测量的各相应的热电势基本不变，则表示放热管已达稳定状态，此时记录各项数据，并进行计算。

6、改变风量至另一数值，并重复步骤4、5，依此进行完毕。

7、实验完毕后，首先关掉放热管的加热电源开关，隔3分钟后再停风机。

8、整理好实验所用仪器设备，实验记录让辅导教师检查签字。

五、注意事项

1、应使实验点较均匀地分布在整个实验范围内。为此应事先测出设备最大可能达到的风速，据此选定若干个实验风速。

2、实验数据应在稳态条件下测取，为此可每隔数分钟测一次温度。若经连续2～3次测试无显著变化（用变化量与测试值之比的百分数来判断）。方可认为实验工况已达到稳态。

3、扩展实验的范围主要靠改变风速和变更实验管直径。

4、毕托管的全压测孔要对准来流的方向。

六、实验数据整理

1、换热系数。换热系数α可由牛顿冷却式进行计算，但应注意加热电流所产生的热量Q₁，除了以对流放热方式由管壁传给空气外，其中还有一部分热Q₂是由管壁辐射出去的。因此，必须从测出的热量中减去Q₂，才是Q_R值。

Q₂用下式计算：

Q₂（2——4）

式中：ε——放热管表面黑度；

G_b——黑体辐射系数，C_b=5.67W/(m²·K⁴)。

T_w——放热管壁温的平均绝对温度，K。

T_r——风道壁面绝对温度，K。可近似认为T_r即为风道内空气的绝对温度。

F——放热管的放热面积，m²。

F=πdL

d——放热管的直径，m。

L——放热管的长度，m。

放热管的对流放热量为：

Q_K=Q₁－Q₂=V·I－Q₂　　[W] 　(2——5)

V——放热管所加电压（V）

I——放热管所加电流（A）

2、空气的流动速度

U_∞　[m.S] 　(2——6)

为了提高△P₁的测量精度，将风洞的截面从F₁渐缩到F₂，在F₂处用毕托管测量其压差为△P₂。

△P₁=( F₂/ F₁)²×△P₂

=(0.03625/0.0725)²△P₂=0.25 P₂ [P_a]

△P₂=9.81×△P₃×C

C——斜管压力计上常数因子。

△P₃——斜管压力计上读数，mmH₂O。

ρ——空气密度，以t_m=(1/2)(t_r+t_w)为定性温度，由传热学附录中查取。

3、确定准则方程

由测定的数据，用t_m=(1/2)(t_r+t_w)为定性温度，计算出Nu及Re的数值，并取对数，标绘在坐标图上，再按实验点分布规律，找出它们的代表直线，确定式(2－3)中的n和c值。

七、思考题

1、放热管表面黑度ε的数值的准确度对实验结果产生什么影响？如何减少这种影响？

2、为什么本实验可以认为风道壁温等于风道内的空气温度？

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