空氣橫掠管束時(shí)換熱的實(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 黃俊 熱動(dòng)1101班 201123060120摘要 流體橫掠管束管束時(shí)的對流換熱其換熱系數(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，管束排列方式對換熱系數(shù)h的影響比較明顯。關(guān)鍵詞 橫掠管束 換熱系數(shù) 叉排 順排 茹卡烏斯卡斯關(guān)聯(lián)式一、實(shí)驗(yàn)原理 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

2、二排尾部渦流影響，且這種經(jīng)第一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。二、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

3、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、皮托管 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、變頻器三、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)對每一種排列的管束保持功率不變空氣流速改變?nèi)?，再保持風(fēng)速不變加熱功率改變?nèi)?/p>

4、，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?。四、?shí)驗(yàn)公式及數(shù)據(jù)處理流體橫掠管束時(shí)的平均對流傳熱系數(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，空氣來流溫度為室溫普朗特?cái)?shù)，上式適用于橫向節(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，其中以叉排試件為例：采用十八根銅管

5、排列，可先算出一根的換熱系數(shù)管直徑D=10mm管長l=120 mm1.空氣來流速度 m/s 其中： 皮托管測得空氣的動(dòng)壓， ( Pa) 空氣密度 (Kg/ m³)2、管壁溫度由銅-康銅熱電偶測得的熱電勢E（，），可按附錄A確定內(nèi)壁溫度。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 大于外壁溫度（根據(jù)管內(nèi)溫度可以計(jì)算外壁溫度。由于所用管壁很薄，僅0.2-0.3mm，且空氣對外管的換熱系數(shù)較小，可近似認(rèn)為。3、加熱圓管兩端的電功率Q 由控制面板上的功率表顯示。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

6、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 ，此處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流傳熱系數(shù)求和，再除以總根數(shù)，可得到管排的平均對流傳熱系數(shù)。 十八根圓管的平均換熱系數(shù)： 根據(jù)每一實(shí)驗(yàn)工況所測得的值，可計(jì)算出相應(yīng)的值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理如下：叉排環(huán)境溫度=15，導(dǎo)熱系數(shù)=0.0255W/(mK),=0.00001461/s空氣密度=1.226kg/m³,總功率195W，初始風(fēng)壓17KPa，單管功率Q=10.83W 溫度 風(fēng)壓KPa38h50h70h92h120ht176.2 46.94 65.7 56.66 5

7、8.1 66.65 53.1 75.40 49.2 84.00 t278.1 45.53 66.8 55.46 58.7 65.74 53.5 74.62 49.5 83.27 t378.7 45.10 67.5 54.72 59.6 64.41 54.3 73.10 50.3 81.38 t473.1 49.44 62.6 60.35 54.9 72.00 49.7 82.79 46.1 92.37 t569.3 52.90 58.1 66.65 49.4 83.51 44.3 98.04 41.2 109.64 t669.1 53.10 56.9 68.56 48.2 86.53 43.3

8、 101.51 40.4 113.10 t773.9 48.77 61.9 61.25 52.9 75.80 47.8 87.58 44.7 96.72 t866.4 55.89 54.6 72.54 47.1 89.49 43.0 102.60 40.7 111.78 t963.6 59.11 49.8 82.55 41.9 106.79 37.7 126.55 35.2 142.21 t1068.8 53.40 54.6 72.54 46.0 92.67 41.4 108.81 38.7 121.21 t1163.3 59.48 51.4 78.92 44.1 98.72 39.9 115

9、.37 37.4 128.24 t1254.2 73.28 42.4 104.84 37.1 129.99 33.7 153.62 32.4 165.10 t1367.4 54.82 53.3 75.00 45.0 95.76 40.2 114.00 37.5 127.67 t1472.2 50.22 57.7 67.28 48.9 84.74 43.9 99.40 41.1 110.06 t1579.6 44.47 64.0 58.63 54.2 73.28 48.1 86.79 44.9 96.08 t1680.1 44.13 65.5 56.88 56.3 69.56 50.5 80.9

10、2 47.7 87.85 t1774.2 48.52 59.6 64.41 50.4 81.15 44.6 97.05 41.5 108.40 t18 因該測點(diǎn)處熱電偶失效，無測量值平均值 71.07 52.06 58.38 68.07 50.16 84.52 45.24 98.71 42.26 109.36 18.33 22.98 29.12 34.64 40.60 109.99 137.88 174.74 207.87 243.60 75286.13 94376.15 119603.32 142277.40 166733.90 由上表可知，所以由茹卡烏斯卡斯關(guān)聯(lián)式：可進(jìn)一步求得：P（Kpa

11、）21335375103壁面溫度平均值（） 71.07 58.38 50.16 45.24 42.26 0.7040.7040.7040.7040.7040.6940.6960.6980.6990.69975286.13 94376.15 119603.32 142277.40 166733.90 218.48 261.59 315.95 362.89 411.98 順排環(huán)境溫度=15，導(dǎo)熱系數(shù)=0.0255W/(mK),=0.00001461/s空氣密度=1.226kg/m³,總功率173W，初始風(fēng)壓17KPa，單管功率Q=10.83W 溫度 風(fēng)壓50h70h90h115h154h

12、t174.8 48.04 62.3 60.73 54.4 72.91 49.1 84.24 45.2 95.12 t273.8 48.86 61.1 62.31 53.2 75.20 48.1 86.79 44.3 98.04 t369.6 52.61 57.5 67.59 49.9 82.31 45.2 95.12 41.6 108.00 t475.1 47.80 61.7 61.51 53.6 74.42 48.3 86.27 44.5 97.38 t576.5 46.71 58.2 66.50 49.4 83.51 44.1 98.72 40.1 114.45 t677.3 46.11

13、57.5 67.59 47.4 88.66 41.3 109.23 37.0 130.58 t772.5 49.96 55.2 71.46 46.3 91.78 40.8 111.34 37.0 130.58 t871.7 50.66 55.3 71.28 47.8 87.58 42.9 102.96 39.5 117.25 t980.5 43.86 64.4 58.15 56.5 69.22 50.6 80.69 46.0 92.67 t1074.6 48.20 62.2 60.86 52.8 76.00 46.4 91.49 41.0 110.49 t1179.8 44.33 61.7 6

14、1.51 52.6 76.40 46.6 90.91 42.2 105.61 t1279.8 44.33 61.1 62.31 52.0 77.64 46.1 92.37 41.6 108.00 t1378.1 45.53 62.0 61.12 53.6 74.42 47.5 88.39 42.9 102.96 t1478.7 45.10 60.5 63.14 51.7 78.27 44.0 99.06 41.6 108.00 t1575.8 47.25 58.3 66.34 49.6 83.03 52.8 76.00 39.9 115.37 t1686.9 39.95 58.2 66.50

15、59.3 64.85 52.6 76.40 41.9 106.79 平均值 76.59 46.83 59.83 64.31 51.88 78.51 46.65 91.87 41.64 108.83 22.98 29.12 34.18 39.60 46.82 45.96 58.25 68.36 79.20 93.65 31458.72 39867.77 46789.18 54212.21 64097.98 由上表可知，所以由茹卡烏斯卡斯關(guān)聯(lián)式：可進(jìn)一步求得：P（Kpa）33537398137壁面溫度平均值（） 71.07 58.38 50.16 45.24 42.26 0.7040.7040.7

16、040.7040.7040.6940.6960.6980.6990.69975286.13 94376.15 119603.32 142277.40 166733.90 218.48 261.59 315.95 362.89 411.98 五、實(shí)驗(yàn)分析由上表中的數(shù)據(jù)可以看出管束叉排時(shí)，其空氣來流速度和最大流速在單管加熱功率Q不變時(shí)隨著風(fēng)壓P的增大而增大。雷諾數(shù)Re在單管加熱功率Q不變時(shí)隨著風(fēng)壓P的增大而增大。管束順排時(shí)，空氣來流速度、最大流速和雷諾數(shù)Re的變化情況同叉排時(shí)相同。由以上兩幅圖可以看出管束叉排時(shí)，當(dāng)加熱功率Q保持不變，換熱系數(shù)hx隨著風(fēng)壓P的增大而增大。管束順排時(shí)，當(dāng)加熱功率Q保持

17、不變，換熱系數(shù)hx隨著風(fēng)壓P的增大而增大。兩圖中五條曲線基本保持平行，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。由以上三個(gè)圖可以看出，除了第三個(gè)測點(diǎn)處圓管以外，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大很多，所以叉排換熱器的換熱能力高于順排換熱器。而且由表格數(shù)據(jù)可以知道在不同風(fēng)壓下都是成立的，由此可以再次證實(shí)叉排比順排的換熱能力更強(qiáng)。通過比較空氣在叉排管束和順排管束中的最大速度可以看出，風(fēng)壓P和單管功率Q相同時(shí)，所以說，空氣橫掠叉排管束時(shí)阻力比較大。因此，在高速度的空氣特別是固液氣固兩相流體沖刷時(shí)可能會(huì)對管束造成損害，影響傳熱效率與安全因素。一般來說，換熱器的管束排列形式一般都是叉排，順排非常少見。由于順排形式的套片式換熱器通常比叉排的流動(dòng)阻力更小，因而對一些流動(dòng)阻力有限制的場合，可以考慮使用順排形式的套片式換熱器。六、實(shí)驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)分析該實(shí)驗(yàn)在相似原理(在極大程度上降低了實(shí)驗(yàn)重復(fù)的次數(shù)）的指導(dǎo)之下，結(jié)合控制變量法研究了通入空氣的流速（通過風(fēng)壓進(jìn)行控制）對換熱系數(shù)的影響，并且科學(xué)的對管束的不同排列方式叉排與順排換熱情況進(jìn)行比較，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)論具有高度吻合性。不過由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制，并未通過調(diào)