清華傳熱學 空氣橫掠單圓管時自然對流換熱實驗

空氣橫掠單管時自然對流換熱實驗一、實驗目的測定水平圓管加熱時周圍空氣自然對流換熱平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h。根據(jù)自然對流放熱過程的相似分析，將實驗數(shù)據(jù)整理成準則方程式。通過實驗加深對相似理論基本內(nèi)容的理解。二、實驗原理根據(jù)相似理論，空氣沿水平管外表面自然對流時，一般可以得到以下指數(shù)形式的準則關(guān)系式：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"Nu=C(GrPr)n(1)式中，Nu，努謝爾特準則：Nu=hD/X(2)Gr，格拉曉夫準則：\o"CurrentDocument"Gr=gazD3/v2(3)Pr，普朗特準則，是溫度的函數(shù)。C和n均為常數(shù)。我們的任務就是通過實驗確定式中的這兩個常數(shù)。在準則式中，空氣的導熱系澈，運動粘度v，以及普朗特準則數(shù)Pr可以根據(jù)實驗管壁面溫度tw和環(huán)境空氣溫度"的平均值如，查閱有關(guān)手冊內(nèi)插得到?？諝獾娜莘e膨脹系數(shù)a取理想氣體的膨脹系數(shù),a=1/Tm.g是重力加速度，D是管子直徑，△是遠離管壁的空氣溫度差，Z=t—t，為空氣溫度，t為管外壁溫。關(guān)鍵的是對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hwffw的確定。由對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的定義：h=QJF^t(4)式中，Qa為水平管外表面與周圍空氣之間的對流換熱量，水平管的外表面積尸=兀DL，L為水平管的有效長度。在氣體中的對流換熱，不可避免的會伴隨有換熱壁面與周圍環(huán)境的輻射換熱，因此，則管的實際傳出熱量為對流換熱和輻射換熱量之和：Q=Q+Q=hF(tw—t)+"/(J；-7f4)X10—8式中，￡為實驗管外表面的黑度，黑體輻射系數(shù)C0=5.67W?m-2?K-4。在這里，假定了環(huán)境溫度即空氣溫度。于是，水平管外表面對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)就可以由下式確定：h=[Q/F—￡C0(T；4—J4)X10-8]/(t；-t)(5)由式(5)，對給定外徑為D和長度為L表面黑度￡確定的水平實驗管，只要測量管的實際傳出熱量Q、管外壁溫tw、遠離壁面約1米處空氣的溫度f、就可以確定水平管外表面對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h。要確定式(1)中的C和n，還要求實驗的Nu-GrPr的數(shù)據(jù)足夠多，GrPr變化范圍足夠大。三、實驗系統(tǒng)實驗系統(tǒng)主要由本體系統(tǒng)、電加熱測量系統(tǒng)和測溫系統(tǒng)三部分組成。本體系統(tǒng)本體系統(tǒng)是長4.6米，寬4.1米，高5.6米的封閉房間內(nèi)的8根不同直徑的實驗管(圖1)。實驗管表面鍍鉻，外壁布置有若干測溫熱偶，內(nèi)部裝有電加熱器。實驗圓管水平架離地面不小于1.1米。各實驗管加熱功率以及各種溫度信號通過導線傳輸?shù)礁舯诘目刂剖覝y量。控制室設有四個實驗臺桌，每張實驗臺桌可以獲取兩根實驗管的數(shù)據(jù)。在實驗中，各實

驗管段已經(jīng)接通電源加熱，穩(wěn)定加熱時間不少于6小時。實驗本體系統(tǒng)已基本處于熱穩(wěn)定狀態(tài)。同學只需在控制室的各實驗臺面板上，即可測量出水平圓管空氣自然對流穩(wěn)定換熱時電加熱器的功率和相關(guān)溫度信息。71—|114111120ti1111111831實驗本體室4號3號￡號1號J主制測云室5號6號7號8號圖1實驗管分布示意圖電加熱器及其加熱功率測量系統(tǒng)實驗圓管內(nèi)的電加熱器是由鉻鐵電阻絲均勻繞在絕緣芯棒上而形成的。為減小管端面的電加熱器及其加熱功率測量系統(tǒng)實驗圓管內(nèi)的電加熱器是由鉻鐵電阻絲均勻繞在絕緣芯棒上而形成的。為減小管端面的熱損失，各實驗管兩端均裝有絕熱端蓋。因此，在溫度穩(wěn)定條件下，電加熱器的輸入電功率Q可以認為就是實驗管向外散出的總的熱流量。為獲得穩(wěn)定的加熱功率，各實驗管采用直流穩(wěn)壓電源加熱。加熱電流可通過測量串聯(lián)在加熱線路內(nèi)的標準電阻的電位差換算得到，各線路中串聯(lián)標準電阻，阻值大小見表1。電加熱器兩端電壓可直接通過引線測得。電加熱聯(lián)接示意圖直接標示在實驗臺的面板上。加熱器兩端的電壓和串聯(lián)在線路中的標準電阻的電壓降直接可在面板上測量。測量儀器是高精度萬用表HP34401A。測溫系統(tǒng)溫度的測量包括實驗管周圍空氣溫度的測量和實驗管壁面溫度的測量，均采用銅-康銅熱電偶一精密萬用表HP34401A測量?？諝鉁囟热‰x開實驗管1米左右的下方溫度。實驗管壁面溫度取自壁面不同部位溫度的平均值。在實驗臺的面板中，左手側(cè)的琴鍵及其下方的接線柱是溫度測量系統(tǒng)的端口。將精密萬用表HP34401A的表針和相應顏色的接線柱接通，按下琴鍵開關(guān)，即可測的相應熱偶的熱電勢。琴鍵開關(guān)1是空氣溫度，緊接其后的琴鍵開關(guān)2，3,……是管壁面溫度。每只實驗管根據(jù)長短不同，布置有不同數(shù)目的測溫熱偶。具體熱偶數(shù)參看表1。各實驗管編號，長度、直徑，壁面黑度，壁面溫度測量的熱偶數(shù)目，加熱線路中串聯(lián)的標準電阻阻值等，列在表1中。表1.各實驗管編號，直徑，長度，表面黑度，壁面溫度熱偶數(shù)目，串聯(lián)標準電阻阻值圓管序號直徑D(mm)長度乙（mm）表面黑度8熱偶個數(shù)n標準電阻R119.05600.0840.01Q238.011900.0860.01Q350.014300.0870.01Q432.012000.0860.01Q513.04000.0840.1Q615.85000.0840.01Q725.07600.0860.01Q886.422710.0880.01Q四、實驗要求與實驗步驟每兩位同學一組，在一個實驗臺上完成兩個實驗管的對流換熱實驗的相關(guān)數(shù)據(jù)測量。檢查精密萬用表HP34401A的兩根輸出筆是否已經(jīng)接好，其中紅筆接“Hi”口，黑色接“Lo”口。將高精度萬用表HP34401A兩根輸出筆的測量端與“tw”兩端對應接好，此即圓管外表面的熱電偶讀數(shù)。此時依次轉(zhuǎn)換各熱電偶開關(guān)并記錄讀數(shù)，再重復測量一遍。將惠普多功能儀表兩根輸出筆的測量端與“I”兩端對應接好，此即標準電阻兩端的分壓值％；將惠普多功能儀表兩根輸出筆的測量端與“V”兩端對應接好，此即加熱器兩端的電壓輸出值U。兩組數(shù)據(jù)測量完畢之后，計算出相應管的加熱功率，管壁平均溫度《，空氣溫度tf和對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h后，交送指導老師檢查并簽字。W抄錄其他三組的實驗結(jié)果：管的編號，加熱功率0平均溫度財空氣溫度f和對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h，以便課后完成最終的實驗報告。五、數(shù)據(jù)整理壁面平均溫度八，空氣溫度tf壁面的平均溫度近似地可以按算術(shù)平均計算。為簡便，可以先計算實驗管的平均熱電勢，然后在溫度-銅-康銅熱電勢專用數(shù)表上通過線性內(nèi)插得到實驗管的壁面平均溫度?？諝鉁囟韧瑯臃椒ńo出。管內(nèi)電加熱功率Q電加熱所產(chǎn)生的熱流量為Q=UxUr/R式中，U為直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，UR為標準電阻分壓，R的大小如表1所示。對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h由式（5）確定。3.準則數(shù)及準則方程的確定定性溫度取壁面和空氣算術(shù)平均溫度，tm=（tw+f）/2。人，餡以及Pr直接由定性溫度在相應數(shù)表線性內(nèi)插得到，Nu準則數(shù)和Gr準則數(shù)由式（2）和（3）計算確定。結(jié)合其他組所整理出來的相關(guān)數(shù)據(jù)，可得到8組Nu-GrPr數(shù)據(jù)。然后以Nu數(shù)為縱坐標，以GrPr數(shù)為橫坐標，將這兩組數(shù)據(jù)影射到以10為底的對數(shù)坐標圖上，并對實驗點進行線性擬合。由于lgNu=lgC+nlg(GrPr)因此，擬合得到的直線截距為lgC,直線的斜率為n。由此即可計算出準則方程式中的常數(shù)C=10(lgC^^n。六、實驗報告要求及注意事項實驗報告要求：寫出實驗原理，整理出實驗數(shù)據(jù)列表。給出對數(shù)坐標圖上的各實驗點，給出準則方程式中的常數(shù)C和n。將整理出來的準則式與有關(guān)參考書1給出的水平圓管空氣自然對流換熱經(jīng)驗準則方程式Nu=0.48(GrPr)0.25(104GrPr<107),Nu=0.85(GrPr)0.i88(102<GrPr<104)、辱一外山，、/曲八拍'1Holman,J.1Holman,J.P.,Heattransfer,FifthEdition