空氣橫掠管束時(shí)局部換熱系數(shù)測定的實(shí)驗(yàn)研究

1、空氣橫掠管束時(shí)局部換熱系數(shù)測定的實(shí)驗(yàn)研究 一、 摘要：流體橫掠管束管束時(shí)的對(duì)流換熱其換熱系數(shù)除受到管徑影響外，還受到管距、管排數(shù)和排列方式空氣流速等因素的影響。由于相鄰圓管的影響，流體在管間的流動(dòng)截面交叉減少，流體在管間交替加減速，管距的大小影響流體流動(dòng)截面的變化程度和流體加減速的程度，管束排列方式對(duì)換熱系數(shù)h的影響比較明顯。二、關(guān)鍵詞：橫掠管束；管束；換熱系數(shù)；叉排；順排；空氣流速三、引言：在空氣橫掠管束時(shí)，從第二排起，后排圓管都處于前排圓管的尾流中。在尾流渦旋的作用下，后排圓管的對(duì)流換熱系數(shù)h比前排高，第二排圓管受第一排尾部渦流的影響，h2h1；第三排圓管受第二排尾部渦流影響，且這種經(jīng)第一

2、排和第二排圓管的共同作用，擾動(dòng)更強(qiáng)烈，所以h3h2。同理h4h3，經(jīng)過幾排圓管以后擾動(dòng)基本穩(wěn)定，hx幾乎不再變化。 管束排列方式對(duì)h的影響比較明顯。叉排時(shí)流體在管間交替收縮和擴(kuò)張的彎曲流道中流動(dòng)，順排時(shí)則流道相對(duì)平直。叉排和順排，第一排圓管具有流體流過單管時(shí)的流動(dòng)特性和換熱特征。從第二排開始，順排每排圓管面對(duì)來流的一面處于前排圓管的漩渦區(qū)，所受的沖擊變?nèi)?，流?dòng)方向較為穩(wěn)定；叉排時(shí)，由于流動(dòng)方向的不斷改變，雖然流動(dòng)阻力大，但一般來說，叉排的平均換熱系數(shù)要比順排的大。四、實(shí)驗(yàn)裝置：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

3、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、熱電偶（測來流溫） 15、熱電偶16、管束試件（順、叉排） 17、交流0220V（連續(xù)可調(diào)）供電電極 18、變頻器五、實(shí)驗(yàn)步驟：1、連接并檢查所有線路和設(shè)備，在儀表正常工作后，打開風(fēng)機(jī)后將交流供電源開關(guān)打開，調(diào)節(jié)旋鈕先轉(zhuǎn)至零位。2、調(diào)節(jié)交流電源輸出功率對(duì)管束緩慢加熱。為避免損壞配件，又能達(dá)到足夠的測溫準(zhǔn)確度，加熱功率大小的調(diào)整以使壁面溫度控制在80以下為原則。參數(shù)穩(wěn)定后，可讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。3、實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)每一種排列的管束保持功率不變空氣流速改變5次，每次改變參數(shù)后需待溫度穩(wěn)定后才進(jìn)行記錄，溫度的高低根據(jù)圓

4、管排列不同及風(fēng)速大小適當(dāng)調(diào)整，保持管壁與空氣來流有適當(dāng)?shù)臏夭睢?繪制折線圖，觀察分析管束排列方式及空氣流速對(duì)傳熱系數(shù)的影響。六、實(shí)驗(yàn)公式及數(shù)據(jù)處理：流體橫掠管束時(shí)的平均對(duì)流傳熱系數(shù)可按下式計(jì)算 式中：下腳標(biāo)f 表示定性溫度為按來流溫度計(jì)算，空氣來流溫度tf為室溫普朗特?cái)?shù)，上式適用于0.7500橫向節(jié)距（m）縱向節(jié)距（m）以流體平均溫度下管間最大流速計(jì)算雷諾數(shù)。其中為流體平均溫度下管間最大流速（m/s）為圓管外徑（m）c, m, n, k, p 系數(shù)和指數(shù) 管排修正系數(shù) 流體斜向沖刷管束時(shí)的修正系數(shù)如已知未進(jìn)入管束時(shí)的流體速度，則在流體入口溫度下的最大流速為：順排時(shí) 叉排時(shí)為 和中的最大者，其中

5、以叉排試件為例：采用十八根銅管排列，可先算出一根的換熱系數(shù)管直徑D=10mm管長為120 mm空氣來流速度u m/s 其中： 比托管測得空氣的動(dòng)壓， ( Pa)空氣密度 (Kg/ m³)2、管壁溫度tw由銅-康銅熱電偶測得的熱電勢E（t1，tf），可按附錄A確定內(nèi)壁溫度t1。試驗(yàn)中，由裝在管內(nèi)壁的熱電偶測量管壁溫度，直接由巡檢儀讀出。由于試驗(yàn)管為有內(nèi)熱源的圓筒形壁，且內(nèi)壁絕熱，因此，內(nèi)壁溫度 t1大于外壁溫度tw（根據(jù)管內(nèi)溫度可以計(jì)算外壁溫度tw。由于所用管壁很薄，僅0.2-0.3mm，且空氣對(duì)外管的換熱系數(shù)較小，可近似認(rèn)為tw= t1。3、加熱圓管兩端的電功率Q 由控制面板上的功率

6、表顯示。顯示功率為總加熱功率，每一根加熱管功率Q可由總功率除以加熱管根數(shù)獲得。4、氣流過管外壁時(shí)的平均換熱系數(shù)= W/(m·) A實(shí)驗(yàn)圓管外表面積 5、換熱準(zhǔn)則方程式將計(jì)算得到的某一流速下的每一根加熱管的對(duì)流傳熱系數(shù)求和，再除以總根數(shù)，可得到管排的平均對(duì)流傳熱系數(shù)。 十六根圓管的平均換熱系數(shù)： 根據(jù)每一試驗(yàn)工況所測得的值，可計(jì)算出相應(yīng)的Re值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理如下表：順排頻率15Hz20Hz25Hz30Hz35Hz氣壓47pa63pa80pa104pa132pa功率57w57w57w57w57w組數(shù)130.729.628.227.426.9231.330.128.527.727.2

7、331.530.328.727.927.4431.330.328.527.727.2529.328.326.726.125.7631.329.427.326.626.0731.028.926.926.125.5830.228.827.026.325.7931.930.528.527.727.11032.530.628.527.626.91133.231.229.128.127.41234.032.430.329.328.71332.130.328.527.426.71432.931.029.128.027.31532.730.828.827.726.91633.231.629.828.628.

8、0叉排頻率15Hz20Hz25Hz30Hz35Hz氣壓47pa63pa80pa104pa132pa功率57w57w57w57w57w組數(shù)132.929.127.426.726.1232.328.326.525.825.1332.628.626.826.125.3431.727.926.425.724.9531.227.525.825.224.7630.726.925.324.724.1731.127.325.725.224.5830.627.225.925.525.0929.625.924.524.023.41029.325.724.323.823.21129.526.124.824.423.

9、81229.325.824.524.023.21329.226.324.323.823.61429.727.924.824.324.71531.727.126.225.624.11630.827.625.524.924.31731.627.725.825.124.51831.427.625.925.324.5hw順排Hw叉排47.9950.8354.9757.6559.4638.3746.4351.2453.5355.6646.5749.5054.0356.6158.3639.4648.5854.2256.7859.6046.1248.9953.4255.9457.6538.9147.7553

10、.1955.6658.7746.5748.9954.0356.6158.3640.6049.7354.5757.1760.4651.6654.6560.2262.6164.3241.6050.9356.7859.1861.3446.5751.3858.0060.6163.0342.6652.8658.7761.3464.1547.2752.8259.4662.6165.2041.8151.5657.1759.1862.2549.2453.1259.0961.7964.3242.8851.8856.4057.9660.0345.2448.4954.0356.6158.7245.1856.4062

11、.2564.6567.7843.9748.2454.0356.9659.4645.9257.1763.1965.6668.8942.5946.8152.2455.2957.6545.4355.6660.9062.7265.6641.1144.1848.9951.6653.4245.9256.7862.2564.6568.8944.8148.9954.0357.6560.2246.1854.9363.1965.6666.7043.1747.2752.2455.6258.0044.9449.7360.9063.1961.3443.5747.7553.1256.6159.4640.6052.2055

12、.2957.5664.1542.5945.9050.2953.7255.6242.4450.6357.9660.4663.1940.8050.3256.7859.6062.2541.2050.6356.4058.7762.25lgRe4.53 4.59 4.65 4.70 4.76 5.01 5.07 5.12 5.18 5.23 lgNu2.06 2.11 2.15 2.20 2.24 2.44 2.49 2.53 2.58 2.62 七、實(shí)驗(yàn)分析：由上表中的數(shù)據(jù)可以看出管束順排時(shí)，其空氣來流速度u和最大流速Vmax在加熱功率Q不變時(shí)隨著風(fēng)壓P的增大而增大，在風(fēng)壓P不變時(shí)隨著加熱功率Q的增大

13、而增大，但是P對(duì)u的影響比Q對(duì)u的影響相對(duì)較?。焕字Z數(shù)Re在加熱功率Q不變時(shí)隨著風(fēng)壓P的增大而增大，在風(fēng)壓P不變時(shí)隨著加熱功率Q的增大而減小。管束叉排時(shí)，空氣來流速度、最大流速Vmax和雷諾數(shù)Re的變化情況同順排時(shí)相同。由圖可以看出管束順排時(shí)，當(dāng)加熱功率Q保持不變，換熱系數(shù)hx隨著風(fēng)壓P的增大而減小，當(dāng)風(fēng)壓P保持不變，換熱系數(shù)hx隨著加熱功率P的增大而減?。还苁媾艜r(shí)，當(dāng)加熱功率Q保持不變，換熱系數(shù)hx隨著風(fēng)壓P的增大而增大，當(dāng)風(fēng)壓P保持不變，換熱系數(shù)hx隨著加熱功率P的增大而增大。兩圖中三條曲線各基本保持平行，說明無論是順排還是叉排，Q不變時(shí)，P不會(huì)影響換熱系數(shù)在管束中的改變趨勢，P不變時(shí)，Q不會(huì)影響換熱系數(shù)在管束中的改變趨勢。由以上五圖和數(shù)據(jù)表可以看出當(dāng)雷諾數(shù)Re較小時(shí)，順排管束的換熱系數(shù)小于叉排的換熱系數(shù)，也就是順排管束的換熱效率低于叉排，當(dāng)雷諾數(shù)Re較大時(shí)，順排的換熱效率優(yōu)于叉排；在相同工況的條件下，叉排管束的換熱系數(shù)比順排的高，說明叉排的換熱效果比順排的好，原因可能是由于換熱管束的約束，叉排熱交換器管后漩渦比順排熱交換器后渦旋小很多，所以叉排換熱器的換熱能力高于順排換熱器。在比較空氣在管束中的速度變化可以看出，叉排雖然換熱較好，但有較大的阻力。因此，在高速度的空氣特別是固液氣固兩相流體沖刷時(shí)可能