實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(空氣沿橫置圓管表面自然對流平均換熱系數(shù)的測定)

1、空氣沿橫置圓管表面自然對流平均換熱系數(shù)的測定實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?目的（1）學(xué)習(xí)在自然對流實(shí)驗(yàn)臺上研究空氣沿橫置圓管表面自然對流換熱的方法。（2）測定空氣沿橫置圓管表面自然對流時(shí)的平均換熱系數(shù) 。（3）將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成準(zhǔn)則方程，從而掌握空氣沿橫置圓管表面自然對流換熱的規(guī)律。2要求（1）充分理解實(shí)驗(yàn)原理。（2）必須懂得在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)記錄哪些量。（3）能獨(dú)立地將測量數(shù)據(jù)整理成準(zhǔn)則方程，正確區(qū)分實(shí)驗(yàn)法確定換熱系數(shù)的兩種方法的優(yōu)、缺點(diǎn)以及適用范圍，從而鞏固課堂上學(xué)過的知識。二、實(shí)驗(yàn)原理影響自然對流的換熱系數(shù) 的五大因素有：1由流體冷、熱各部分的密度差產(chǎn)生的浮升力；2流體流動的狀態(tài)；1 / 123流體的熱

2、物性；4換熱壁面的熱狀態(tài)；5換熱壁面的幾何因素；依據(jù)相似理論，它們之間的關(guān)系包含在準(zhǔn)則方程之中。由于本實(shí)驗(yàn)中介質(zhì)為空氣，其物性隨溫度的變化較小，空氣的Pr值隨溫度的變化不大，Pr0.72，故相應(yīng)的準(zhǔn)則方程可簡化為：Nuf= f (Grf )對流換熱問題的準(zhǔn)則函數(shù)形式，通常采取指數(shù)函數(shù)的形式表示：Nuf= c Grf n式中：Nuf努謝爾特準(zhǔn)則 Nuf=Grf葛拉曉夫準(zhǔn)則 Grf =系數(shù)c，上標(biāo)n 均為需通過實(shí)驗(yàn)來確定的常數(shù)。上述各準(zhǔn)則中，有關(guān)的物理量及其單位分別為： 對流換熱系數(shù) W/（m2·）D 實(shí)驗(yàn)單管外徑 m2 / 12 空氣的導(dǎo)熱系數(shù) W/（m·） 介質(zhì)的膨脹系數(shù)

3、K-1g 重力加速度 m / s2t 介質(zhì)和管壁表面之間的溫差 K 運(yùn)動粘性系數(shù) m2 / s下標(biāo)f 表示各準(zhǔn)則以流體介質(zhì)在物體邊界層以外處的溫度tf為定性溫度。要通過試驗(yàn)確定空氣橫向掠過單管時(shí)Nuf與Grf的關(guān)系，就要求葛拉曉夫數(shù)Grf有較大范圍的變動才能保證求得的準(zhǔn)則方程式的準(zhǔn)確性。改變葛拉曉夫數(shù)Grf可以通過改變溫度（t）及管子直徑（D）來達(dá)到。測量的基本量為空氣溫度tf，管子表面溫度tw及管子表面散出的熱量Q。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備整套實(shí)驗(yàn)裝置由實(shí)驗(yàn)臺、控制箱、電腦三大部分組成。實(shí)驗(yàn)臺上懸掛有試件（四種直徑單根圓管），試件內(nèi)裝有電加熱管，兩端裝有絕熱蓋（計(jì)算中略去軸向熱損失）。試件上有熱電偶嵌入

4、管壁，所有單圓管中央的熱電偶均與控溫儀連接，防止溫度過高燒毀試件；沿管子圓周均勻分布熱電偶均與巡檢儀連接可直接顯示管壁各個(gè)測點(diǎn)的溫度。3 / 12A、B、C、D管管壁的測溫?zé)犭娕紨?shù)分別為4、4、6、8個(gè)。試件結(jié)構(gòu)如圖一所示 圖一、試件結(jié)構(gòu)示意圖1.加熱導(dǎo)線 2.接線柱 3.絕熱蓋 4.絕緣法蘭 5.絕熱泡沫墊 6.絕熱體 7.實(shí)驗(yàn)管 8.管腔 9.加熱管 10.熱電偶 控制箱內(nèi)有穩(wěn)壓器可穩(wěn)定輸出電壓，使其加到單管上的熱量保持一定，并設(shè)置電壓調(diào)節(jié)裝置以改變加熱量從而改變實(shí)驗(yàn)管壁面溫度。電壓、電流表分別顯示電加熱器的電壓和電流；巡檢儀可顯示單圓管壁面溫度、實(shí)際電流、電壓、室內(nèi)溫度。見圖二：4 /

5、12 圖三、控制箱1D4=80mm測溫琴鍵開關(guān) 2D3=60mm測溫琴鍵開關(guān) 3D2=40mm測溫琴鍵開關(guān) 4D1=20mm測溫琴鍵開關(guān) 5、25D4=80mm加熱接線柱 6、24D3=60mm加熱接線柱 7、23D2=40mm加熱接線柱 8、22D1=20mm加熱接線柱 916點(diǎn)萬能信號輸入巡檢儀 10輸出顯示電壓表 11高溫保護(hù)溫控儀 14熱電偶接線柱組 (32對) 12D1=20mm輸出顯示加熱電流表 13D2=40mm輸出顯示加熱電流表 15D3=60mm輸出顯示加熱電流表 16D4=80mm輸出顯示加熱電流表17D1=20mm對應(yīng)實(shí)驗(yàn)管的加熱開關(guān)、調(diào)節(jié)旋鈕、指示燈、保險(xiǎn)管18D2=4

6、0mm對應(yīng)實(shí)驗(yàn)管的加熱開關(guān)、調(diào)節(jié)旋鈕、指示燈、保險(xiǎn)管 19D3=60mm對應(yīng)實(shí)驗(yàn)管的加熱開關(guān)、調(diào)節(jié)旋鈕、指示燈、保險(xiǎn)管 20D4=80mm對應(yīng)實(shí)驗(yàn)管的加熱開關(guān)、調(diào)節(jié)旋鈕、指示燈、保險(xiǎn)管 5 / 1221計(jì)算機(jī)采集RS232接口。電腦可顯示并自動記錄單圓管壁面溫度、實(shí)際電流、電壓、室內(nèi)溫度，通過數(shù)據(jù)分析，很容易判斷系統(tǒng)是否達(dá)到穩(wěn)定工況；它還可自動運(yùn)算和描繪出圖線。四、實(shí)驗(yàn)步驟1熟悉實(shí)驗(yàn)裝置，連接電源線路和測量儀表線路，經(jīng)指導(dǎo)教師檢查確認(rèn)無誤后選擇實(shí)驗(yàn)圓管，按下相應(yīng)琴鍵開關(guān)，打開加熱開關(guān)，調(diào)整調(diào)壓旋鈕開始加熱，并保持電壓不變。2當(dāng)圓管各測溫點(diǎn)溫度在1015分鐘不變時(shí)，認(rèn)為管壁溫度已穩(wěn)定，此時(shí)為第一

7、個(gè)穩(wěn)定工況，可記錄各測點(diǎn)溫度，并同時(shí)記錄電流I和電壓U的數(shù)值以及離實(shí)驗(yàn)管1米外室溫tf。此過程計(jì)算機(jī)自動完成。3調(diào)整調(diào)壓旋鈕將電壓調(diào)高至某一數(shù)值后保持不變，待各個(gè)測點(diǎn)溫度穩(wěn)定后，記錄第二個(gè)穩(wěn)定工況的上述各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。4完成4個(gè)工況后，一組實(shí)驗(yàn)完成。5、選擇其他管徑圓管，重復(fù)上述過程，四組實(shí)驗(yàn)完成后，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。五、實(shí)驗(yàn)記錄附表一：試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄待 測 或 已 知 物 理 量單位第一組第二組第三組第四組試管尺寸外 徑 Dm0.020.040.060.086 / 12有效長度Lm11.21.41.6散熱面積FDLm2允許最大功率W1200800600300黑度0.150.150.150.11絕對黑體

8、輻射系數(shù)C0W/m2K45.6695.6695.6695.669參 數(shù)公式及符號單位工況1234123412341234大氣溫度tf管壁溫度tw電流IA電壓UV 附表二: 實(shí)驗(yàn)管壁溫度記錄實(shí)驗(yàn)工況實(shí)驗(yàn)管壁溫度管徑D12345678平均（tw）1234 六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理附表三：各工況數(shù)據(jù)處理工況組 列第 一 組第 二 組第 三 組第 四 組參 數(shù)計(jì)算式單位1234123412341234定性溫度tf7 / 12導(dǎo)熱系數(shù)f根據(jù)tf查W/(m·k)膨脹系數(shù)ff = 1/(273.5 + t f)K-1運(yùn)動粘度f根據(jù)tf查m2/s加熱量QQ=IUW輻射換熱熱流量Qr=·C0 F(

9、)4-()4W對流換熱熱流量Qc=Q-QrW換熱系數(shù)=W/(m2·k)努謝特?cái)?shù)NufNu= 葛拉曉夫數(shù)GrfGrf = 式中：Qc 對流換熱量tw 單管壁面的平均溫度tf 實(shí)驗(yàn)單管前后空氣的平均溫度F 實(shí)驗(yàn)單管的對流換熱面積1對流換熱系數(shù) （經(jīng)驗(yàn)法） 對銅管進(jìn)行電加熱，高溫銅管對空氣的熱傳遞過程，是既有輻射又有對流換熱的復(fù)雜換熱過程。由高溫銅管傳遞給空氣的對流換熱系流量和輻射換熱的熱流量公式分別為：Qc= F (twtf ) W8 / 12Qr =C0 F ()4 ()4 W 二者傳遞的總熱流量為：Q=Qc+Qr=IU W Qc = QQr = IU C0 F ()4()4 W 因此

10、： = = IU C0 F ()4()4/ (twtf ) F2確定準(zhǔn)則方程式（半經(jīng)驗(yàn)法） 待定方程 Nuf= c Grf n 取對數(shù)得 lgNuf = lgc + nlgGrf 以室溫tf為定性溫度算出各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的Nuf及Grf數(shù)值， lgNuf作為縱坐標(biāo), lgGrf作為橫坐標(biāo)，描繪在對數(shù)坐標(biāo)圖上，并計(jì)算出相應(yīng)的c和n值，帶入指數(shù)方程, 寫出準(zhǔn)則方程式。式中: lgNuf 與lgGrf -分別為縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)lgc-直線方程的縱截距n = tg-直線的斜率9 / 12預(yù)習(xí)思考題1每根實(shí)驗(yàn)管段上都有幾個(gè)測溫?zé)犭娕?？它們沿管子圓周均勻分布有什么意義？2如室內(nèi)有風(fēng)，對實(shí)驗(yàn)有何影響？3水平放置和豎直

11、的圓管，它們的定型尺寸有何不同？復(fù)習(xí)思考題：1以本實(shí)驗(yàn)為例，試述相似理論在自然對流換熱實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用。2你對本實(shí)驗(yàn)裝置有什么改進(jìn)的意見？實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括學(xué)習(xí)在自然對流實(shí)驗(yàn)臺上研究空氣沿橫置圓管表面自然對流換熱的方法,測定空氣沿橫置圓管表面自然對流的平均換熱系數(shù),將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成準(zhǔn)則方程。要求充分理解實(shí)驗(yàn)原理。必須懂得在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)記錄哪些量。能獨(dú)立地將測量數(shù)據(jù)整理成準(zhǔn)則方程，從而鞏固課堂上學(xué)過的知識。本實(shí)驗(yàn)所涉及的課程知識面廣,牽涉到對流換熱原理,各種對流換熱過程的特征及其計(jì)算公式,輻射換熱等三個(gè)章節(jié)的內(nèi)容.請大家認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和課本有關(guān)章節(jié)，仔細(xì)領(lǐng)會指導(dǎo)書表達(dá)的中心意思，這樣做實(shí)驗(yàn)才心中有數(shù)，不會浪費(fèi)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)報(bào)告里預(yù)習(xí)思考題和復(fù)習(xí)思考題都要做。搞清楚實(shí)驗(yàn)法求換熱系數(shù)的兩種方法的區(qū)別，特點(diǎn)，以及這個(gè)實(shí)驗(yàn)的最終目的。準(zhǔn)則方程是什么意思，它和經(jīng)驗(yàn)法，半經(jīng)驗(yàn)法有什么關(guān)系。實(shí)驗(yàn)報(bào)告