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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:3995  字体大小: 【】 【】【
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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:tw——壁面平均温度,℃
tr——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tm=(1/2)(tr+tw)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Q,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QR值。
Q2用下式计算:
Q2                                                                       (2——4)
式中:ε——放热管表面黑度;
Gb——黑体辐射系数,Cb=5.67W/(m2·K4)。
Tw——放热管壁温的平均绝对温度,K。
Tr——风道壁面绝对温度,K。可近似认为Tr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:
QK=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 [Pa]
△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tm=(1/2)(tr+tw)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tm=(1/2)(tr+tw)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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