空气横掠单管强迫对流的换热实验-2013(1)

热交换器中广泛使用各种管子作为传热元件，其外侧通常为流体横向掠过管子的强制对流换热方式，因此测定流体横向掠过管子时的平均换热系数是传热中的基本实验。本实验是测定空气横向掠过单圆管时代平均换热系数。 一、实验目的及要求

1、了解实验装置，熟悉空气流速及管壁的测量方法，掌握测试仪器、仪表的使用方法。

2、通过对实验数据的综合、整理，掌握强制对流换热实验数据整理的方法。

3、实验测定空气横掠单管时的平均换热系数；了解空气横掠管子时的换热规律。、 二、实验原理

1. 根据牛顿冷却公式： 得

hQF(twtf)QhF(twtf) (W) (6-2-1)

(W/m2℃) (6-2-2)

式中 Q—对流换热的热流，[W]； h—对流换热系数，[W/m2℃]； F—与流体接触的物体表面面积，[m2]； f—流体平均温度，[℃]； tw—物体表面温度，[℃]。

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t 本实验采用电加热的放热圆管，空气外掠圆管表面，当换热稳定时，测出加热电功率，即可得出对流换热热流Q，即： QIU (W) (6-2-3) 2. 根据对流换热的分析，强制对流稳定时的换热规律可用下列准则关系式来表示：

Nuf(Re,Pr) (6-2-4)

对于空气，因温度变化范围不大，上式中的普朗特数Pr变化很小，可作为常数看待，故式(6-2-4)化简为：

Nuf(Re) (6-2-4a)

式中 努谢尔特数 雷诺数

NuhD

vDRe

h—空气横掠单管时的平均换热系数，[W/m2℃]； v—空气来流速度，[m/s]； D—定型尺寸，取管子外径，[m]； —空气的导热系数，[W/m℃]； —空气的运动粘度，[m2/s]。

要通过实验确定空气横掠单圆管时的Nu与Re的关系，就需要测定不同流速v及不同管子直径D时换热系数h的变化。因此，本实验中要测量的基本量为管子所处的空气流速v、空气温度f、管子表面温度tw及管子表面散出的热量Q。 三、实验装置及测量系统

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t 实验装置本体是由一风源和试验段构成。 风源为一箱式风洞，风机、稳压箱、收缩口都设置在工作台内。风箱中央为空气出风口，形成均匀流速的空气射流。试验段的风道直接放置在出风口上。风道内的空气流量由变频器19来调节，可以改变实验段风道中空气流速。

图4-1为测定空气横掠单管平均换热系数的试验段简图。

1、电源开关 2、仪表开关 3、交流供电开关 4、交流调压旋钮 5、直流大功率电源 6、差压表 7、交流功率表 8、电流表 9、电压表 10、十六路温度巡检仪 11、四路温度巡检仪 12、毕托管 13、风道 14、单管试件15、供电电极 16、热电偶（测管壁温）17、热电偶（测来流温）18、分流器 19、变频器

实验段风道13由有机玻璃制成。试验件14为不锈钢薄壁管，横

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置于风道中间。为了保证管子加热测量及管壁温度测量的准确性，管子用低压直流电直接通电加热，管子两端经接座与电源导板15连接，并易于更换不同直径的试验管。为了准确测定试验管上的加热功率，在离管端一定距离处有两个电压测点a、b，以排除管子两端的影响。铜-康铜电偶16设在管内，在绝热条件下准确测出管内壁温度，从而确定管外壁温度。

试验管加热用的低压大功率直流电源5供给，输出电流（压）可改变对管子的加热功率，电路中串联一标准电阻18。用直流电压表9测量电阻18上的电压降，然后确定流过单管试件的电流量。试件两测压点a、b间的电压亦用直流电压表测量。

为了简化测量系统，测量管内壁温度tw的热电偶，其参考点温度不是摄氏零度，而是来流空气温度tf。即热电偶的热端16设在管内，冷端17则放在风道空气中。所以热电偶反映的为管内壁温度与空气温度之差（tw-tf）。

风道上装有比托管12，通过差压变送器由压力表直接读数，测出试验段气流的动压△P，以确定试验段中气流的速度v。 四、实验步骤

（1）连接并检查所有线路和设备，合上背板上的空气开关，打开电源、仪表开关。此时交流供电开关应处于关闭状态！打开实验台右侧的变频器开关，调节风机频率到50Hz即最大风量观察毕托管测定风压值。

（2）打开大功率直流电源，将电流（压）调节旋钮旋至输出电

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流为20-25A。（注意：稳压电源提供的是恒流源。对试件的加热量主要看供给的电流大小，仪表会同时显示其输出电压值。）稳定后即可测量各有关数据。

（3）保持加热功率不变，风机频率减小，稳定后又可测到一组数据。试验时对每一种直径的管子，空气流速可调整8个工况。加热电流（压）保持不变，亦可根据管子直径及风速大小适当调整，保持管壁与空气中有适当的温差。每调整一个工况，须待压力表，热电偶读数等稳定后方能测量各有关数据。 五、实验数据的计算与整理 试验用二根不锈钢管：

直径D=4.0mm和6.3mm范围，管长为200 mm，测压点ab间距约100mm

1. 空气的来流速度v

根据伯努力方程，毕托管所测得的气流动压P(N/m2)与气流速度v(m/s)的关系：

P12v2 (Pa) (6-2-5) 2pv (m/s) (6-2-6)

t式中为空气的密度（kg/m3)，由空气温度f查表确定。 2、管壁温度tw

由铜-康铜热电偶测得, 试验管为有内热源的圆筒形壁，且内壁绝热，因此，内壁温度 t1大于外壁温度tw。由于所用管壁很薄，仅

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0.2-0.3mm，且空气对外管的换热系数较小，可足够确认的认为tw= t1。 ３、试验管工作段ab间的发热量 Q

Q = IU W (6-2-7) ４ 、空气流过管外壁时的平均换热系数 hQ W/(m℃) (6-2-8)

A(twtf) 其中：A--电压测点ab间试验管的外表面积 ㎡ ５. 换热准则方程式

根据每一实验工况所测得的数值可计算出相应的Nu值及Re值，然后，在双对数坐标纸上，以Nu为纵轴，Re为横轴，将各工况点描出，它们的规律可近似地用一直线表示，即：

lgNuamlgRe (6-2-9)

则Nu和Re之间的关系可近似表示为一指数方程的形式： NuCRe (6-2-10)

其中 algC

如用 xlgRe，ylgNu，上式则可表示为：

yamx (6-2-11)

m 根据最小二乘法原理，系数a及m可按下式计算：

xyxyxa(x)nx22222 (6-2-12)

xynxym(x)nx (6-2-13)

式中：n—实验点的数目；

xy(lgRe)(lgNu)；

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22x(lgRe) 。

在计算Nu及Re时所用的空气导热系数、运动粘度，可根据边界层的平均温度作为六、实验报告要求

1. 在双对数坐标纸上描绘出各实验点，并用最小二乘法求出强迫对流换热的准则方程式；

2. 将实验结果与有关参考书给出的空气横掠单管时换热的准则方程式和曲线图进行比较； 3. 对实验结果进行分析与讨论。 七 思考题

1结合实验数据，分析对流换热系数和风速的关系。 ２ 测试得到的准则方程式与理论公式误差产生的原因。 八、注意事项

1、首先了解试验装置的各个组成部分，并熟悉仪表的使用，以免损坏仪器。

2、为确保管壁温度不至超出允许的范围，启动及工况改变时都必须注意操作顺序。启动电源之前，先将电源调节旋钮转至零位： 3、启动时必须先开风机，调整风速，然后对试验管通电加热，并调整到要求的工况。注意电流表上的读数，不允许超出工作电流参考值。试验完毕时，必须先关加热电源，待试件冷却后，再关风机。 ４电流极限值27安 加热管壁温不能超过100℃，皮托管压差不能小于25kPa

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tmtftw2作为定性温度查表。

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工况 试件壁温 大气温度 电流 电压 压差 试件壁温 大气温度 电流 （A） 电压 压差 tw（℃） tf（℃） （A） （V） 1 2 3 4 5 6 7 8 （Pa） tw（℃） tf（℃） （V） （Pa） 试件直径 mm 试件有效长度100mm 有效面积 m2 试件直径 mm 试件有效长度100mm 有效面积 m2 9

此表每个试件填写一张 工况 空气流速 定性温度 空气密度 空气导热 空气运动 加热功率 对流换热 努谢尔雷诺数 v（m/s） tm（℃） 1 2 3 4 5 6 7 8

ρ 系数λ 粘度ν Q （W) 系数 h 特数 10