空氣橫掠單管強(qiáng)迫對(duì)流的換熱實(shí)驗(yàn)

空氣橫掠單管強(qiáng)迫對(duì)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(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合、整理，掌握強(qiáng)制對(duì)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℃）（6-2-2式中—對(duì)流換熱的熱流，［W];-對(duì)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，［℃］。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(duì)流換熱熱流,即：（W）（6-2—32.根據(jù)對(duì)流換熱的分析，強(qiáng)制對(duì)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-對(duì)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）(6—2式中努謝爾特?cái)?shù)雷諾數(shù)—空氣橫掠單管時(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)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(duì)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。（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（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(duì)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?？諝獾膩砹魉俣雀鶕?jù)伯努力方程，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，因此，內(nèi)壁溫度t1大于外壁溫度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,可足夠確認(rèn)的認(rèn)為tw=t1。３、試驗(yàn)管工作段ab間的發(fā)熱量 QQ=IUW（6—４、空氣流過管外壁時(shí)的平均換熱系數(shù)W/（m℃）(6-2-8）其中：A--電壓測點(diǎn)ab間試驗(yàn)管的外表面積㎡５。換熱準(zhǔn)則方程式根據(jù)每一實(shí)驗(yàn)工況所測得的數(shù)值可計(jì)算出相應(yīng)的值及Re值，然后，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，以為縱軸，Re為橫軸,將各工況點(diǎn)描出,它們的規(guī)律可近似地用一直線表示，即：(6—2則和Re之間的關(guān)系可近似表示為一指數(shù)方程的形式:（6-2-10其中如用，，上式則可表示為：（6-2—1根據(jù)最小二乘法原理,系數(shù)及可按下式計(jì)算：(6—2(6—2-式中:-實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)目；；。在計(jì)算及Re時(shí)所用的空氣導(dǎo)熱系數(shù)、運(yùn)動(dòng)粘度，可根據(jù)邊界層的平均溫度作為作為定性溫度查表。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上描繪出各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，并用最小二乘法求出強(qiáng)迫對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程式；2.將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有關(guān)參考書給出的空氣橫掠單管時(shí)換熱的準(zhǔn)則方程式和曲線圖進(jìn)行比較;3.對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與討論.七思考題1結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析對(duì)流換熱系數(shù)和風(fēng)速的關(guān)系。２測試得到的準(zhǔn)則方程式與理論公式誤差產(chǎn)生的原因.八、注意事項(xiàng)1、首先了解試驗(yàn)裝置的各個(gè)組成部分，并熟悉儀表的使用，以免損壞儀器.2、為確保管壁溫度不至超出允許的范圍,啟動(dòng)及工況改變時(shí)都必須注意操作順序。啟動(dòng)電源之前，先將電源調(diào)節(jié)旋鈕轉(zhuǎn)至零位：3、啟動(dòng)時(shí)必須先開風(fēng)機(jī)，調(diào)整風(fēng)速,然后對(duì)試驗(yàn)管通電加熱，并調(diào)整到要求的工況。注意電流表上的讀數(shù),不允許超出工作電流參考值。試驗(yàn)完畢時(shí),必須先關(guān)加熱電源，待試件冷卻后，再關(guān)風(fēng)機(jī)。４電流極限值27安加熱管壁溫不能超過100℃工況試件壁溫tw（℃）大氣溫度tf（℃)電流（A）電壓（V)壓差

（Pa）試件壁溫tw（℃）大氣溫度tf(℃）電流(A）電壓（V）壓差

（Pa)12345678試件直徑