空氣橫掠管束時局部換熱系數測定的實驗研究

1、空氣橫掠管束時局部換熱系數測定的實驗研究 一、 摘要：流體橫掠管束管束時的對流換熱其換熱系數除受到管徑影響外，還受到管距、管排數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截面的變化程度和流體加減速的程度，管束排列方式對換熱系數h的影響比較明顯。二、關鍵詞：橫掠管束；管束；換熱系數；叉排；順排；空氣流速三、引言：在空氣橫掠管束時，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，后排圓管的對流換熱系數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，且這種經第一

2、排和第二排圓管的共同作用，擾動更強烈，所以h3h2。同理h4h3，經過幾排圓管以后擾動基本穩(wěn)定，hx幾乎不再變化。 管束排列方式對h的影響比較明顯。叉排時流體在管間交替收縮和擴張的彎曲流道中流動，順排時則流道相對平直。叉排和順排，第一排圓管具有流體流過單管時的流動特性和換熱特征。從第二排開始，順排每排圓管面對來流的一面處于前排圓管的漩渦區(qū)，所受的沖擊變弱，流動方向較為穩(wěn)定；叉排時，由于流動方向的不斷改變，雖然流動阻力大，但一般來說，叉排的平均換熱系數要比順排的大。四、實驗裝置：1、電源開關 2、儀表開關 3、交流供電開關 4、交流調壓旋鈕 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）供電電極 18、變頻器五、實驗步驟：1、連接并檢查所有線路和設備，在儀表正常工作后，打開風機后將交流供電源開關打開，調節(jié)旋鈕先轉至零位。2、調節(jié)交流電源輸出功率對管束緩慢加熱。為避免損壞配件，又能達到足夠的測溫準確度，加熱功率大小的調整以使壁面溫度控制在80以下為原則。參數穩(wěn)定后，可讀取試驗數據。3、實驗時對每一種排列的管束保持功率不變空氣流速改變5次，每次改變參數后需待溫度穩(wěn)定后才進行記錄，溫度的高低根據圓

4、管排列不同及風速大小適當調整，保持管壁與空氣來流有適當的溫差。4繪制折線圖，觀察分析管束排列方式及空氣流速對傳熱系數的影響。六、實驗公式及數據處理：流體橫掠管束時的平均對流傳熱系數可按下式計算 式中：下腳標f 表示定性溫度為按來流溫度計算，空氣來流溫度tf為室溫普朗特數，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算雷諾數。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 系數和指數 管排修正系數 流體斜向沖刷管束時的修正系數如已知未進入管束時的流體速度，則在流體入口溫度下的最大流速為：順排時 叉排時為 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確定內壁溫度t1。試驗中，由裝在管內壁的熱電偶測量管壁溫度，直接由巡檢儀讀出。由于試驗管為有內熱源的圓筒形壁，且內壁絕熱，因此，內壁溫度 t1大于外壁溫度tw（根據管內溫度可以計算外壁溫度tw。由于所用管壁很薄，僅0.2-0.3mm，且空氣對外管的換熱系數較小，可近似認為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獲得。4、氣流過管外壁時的平均換熱系數= W/(m·) A實驗圓管外表面積 5、換熱準則方程式將計算得到的某一流速下的每一根加熱管的對流傳熱系數求和，再除以總根數，可得到管排的平均對流傳熱系數。 十六根圓管的平均換熱系數： 根據每一試驗工況所測得的值，可計算出相應的Re值。實驗數據記錄及處理如下表：順排頻率15Hz20Hz25Hz30Hz35Hz氣壓47pa63pa80pa104pa132pa功率57w57w57w57w57w組數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、實驗分析：由上表中的數據可以看出管束順排時，其空氣來流速度u和最大流速Vmax在加熱功率Q不變時隨著風壓P的增大而增大，在風壓P不變時隨著加熱功率Q的增大

13、而增大，但是P對u的影響比Q對u的影響相對較??；雷諾數Re在加熱功率Q不變時隨著風壓P的增大而增大，在風壓P不變時隨著加熱功率Q的增大而減小。管束叉排時，空氣來流速度、最大流速Vmax和雷諾數Re的變化情況同順排時相同。由圖可以看出管束順排時，當加熱功率Q保持不變，換熱系數hx隨著風壓P的增大而減小，當風壓P保持不變，換熱系數hx隨著加熱功率P的增大而減??；管束叉排時，當加熱功率Q保持不變，換熱系數hx隨著風壓P的增大而增大，當風壓P保持不變，換熱系數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，P不會影響換熱系數在管束中的改變趨勢，P不變時，Q不會影響換熱系數在管束中的改變趨勢。由以上五圖和數據表可以看出當雷諾數Re較小時，順排管束的換熱系數小于叉排的換熱系數，也就是順排管束的換熱效率低于叉排，當雷諾數Re較大時，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可能