實驗指導書(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)的測定實驗一、實驗目的及要求1目的（1）學習在自然對流實驗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的平均換熱系數(shù) 。（3）將實驗數(shù)據(jù)整理成準則方程，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）充分理解實驗原理。（2）必須懂得在實驗中應記錄哪些量。（3）能獨立地將測量數(shù)據(jù)整理成準則方程，正確區(qū)分實驗法確定換熱系數(shù)的兩種方法的優(yōu)、缺點以及適用范圍，從而鞏固課堂上學過的知識。二、實驗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)系包含在準則方程之中。由于本實驗中介質(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，故相應的準則方程可簡化為：Nuf= f (Grf )對流換熱問題的準則函數(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努謝爾特準則 Nuf=Grf葛拉曉夫準則 Grf =系數(shù)c，上標n 均為需通過實驗來確定的常數(shù)。上述各準則中，有關(guān)的物理量及其單位分別為： 對流換熱系數(shù) W/（m2·）D 實驗單管外徑 m2 / 12 空氣的導熱系數(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 運動粘性系數(shù) m2 / s下標f 表示各準則以流體介質(zhì)在物體邊界層以外處的溫度tf為定性溫度。要通過試驗確定空氣橫向掠過單管時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則方程式的準確性。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、實驗設備整套實驗裝置由實驗臺、控制箱、電腦三大部分組成。實驗臺上懸掛有試件（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測點的溫度。3 / 12A、B、C、D管管壁的測溫熱電偶數(shù)分別為4、4、6、8個。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.實驗管 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，并設置電壓調(diào)節(jié)裝置以改變加熱量從而改變實驗管壁面溫度。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點萬能信號輸入巡檢儀 10輸出顯示電壓表 11高溫保護溫控儀 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對應實驗管的加熱開關(guān)、調(diào)節(jié)旋鈕、指示燈、保險管18D2=4

6、0mm對應實驗管的加熱開關(guān)、調(diào)節(jié)旋鈕、指示燈、保險管 19D3=60mm對應實驗管的加熱開關(guān)、調(diào)節(jié)旋鈕、指示燈、保險管 20D4=80mm對應實驗管的加熱開關(guān)、調(diào)節(jié)旋鈕、指示燈、保險管 5 / 1221計算機采集RS232接口。電腦可顯示并自動記錄單圓管壁面溫度、實際電流、電壓、室內(nèi)溫度，通過數(shù)據(jù)分析，很容易判斷系統(tǒng)是否達到穩(wěn)定工況；它還可自動運算和描繪出圖線。四、實驗步驟1熟悉實驗裝置，連接電源線路和測量儀表線路，經(jīng)指導教師檢查確認無誤后選擇實驗圓管，按下相應琴鍵開關(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當圓管各測溫點溫度在1015分鐘不變時，認為管壁溫度已穩(wěn)定，此時為第一

7、個穩(wěn)定工況，可記錄各測點溫度，并同時記錄電流I和電壓U的數(shù)值以及離實驗管1米外室溫tf。此過程計算機自動完成。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，待各個測點溫度穩(wěn)定后，記錄第二個穩(wěn)定工況的上述各實驗數(shù)據(jù)。4完成4個工況后，一組實驗完成。5、選擇其他管徑圓管，重復上述過程，四組實驗完成后，實驗結(jié)束。五、實驗記錄附表一：試驗原始數(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: 實驗管壁溫度記錄實驗工況實驗管壁溫度管徑D12345678平均（tw）1234 六、實驗數(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)計算式單位1234123412341234定性溫度tf7 / 12導熱系數(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)努謝特數(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 實驗單管前后空氣的平均溫度F 實驗單管的對流換熱面積1對流換熱系數(shù) （經(jīng)驗法） 對銅管進行電加熱，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確定準則方程式（半經(jīng)驗法） 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驗點的Nuf及Grf數(shù)值， lgNuf作為縱坐標, lgGrf作為橫坐標，描繪在對數(shù)坐標圖上，并計算出相應的c和n值，帶入指數(shù)方程, 寫出準則方程式。式中: lgNuf 與lgGrf -分別為縱坐標與橫坐標lgc-直線方程的縱截距n = tg-直線的斜率9 / 12預習思考題1每根實驗管段上都有幾個測溫熱電偶？它們沿管子圓周均勻分布有什么意義？2如室內(nèi)有風，對實驗有何影響？3水平放置和豎直

11、的圓管，它們的定型尺寸有何不同？復習思考題：1以本實驗為例，試述相似理論在自然對流換熱實驗研究中的應用。2你對本實驗裝置有什么改進的意見？實驗內(nèi)容包括學習在自然對流實驗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),將實驗數(shù)據(jù)整理成準則方程。要求充分理解實驗原理。必須懂得在實驗中應記錄哪些量。能獨立地將測量數(shù)據(jù)整理成準則方程，從而鞏固課堂上學過的知識。本實驗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算公式,輻射換熱等三個章節(jié)的內(nèi)容.請大家認真預習實驗指導書和課本有關(guān)章節(jié)，仔細領(lǐng)會指導書表達的中心意思，這樣做實驗才心中有數(shù)，不會浪費時間。實驗報告里預習思考題和復習思考題都要做。搞清楚實驗法求換熱系數(shù)的兩種方法的區(qū)別，特點，以及這個實驗的最終目的。準則方程是什么意思，它和經(jīng)驗法，半經(jīng)驗法有什么關(guān)系。實驗報告