实验指导书(空气沿横置圆管表面自然对流平

1、空气沿横置圆管表面自然对流平均换热系数的测定实验一、实验目的及要求1目的（1）学习在自然对流实验台上研究空气沿横置圆管表面自然对流换热的方法。（2）测定空气沿横置圆管表面自然对流时的平均换热系数 。（3）将实验数据整理成准则方程，从而掌握空气沿横置圆管表面自然对流换热的规律。2要求（1）充分理解实验原理。（2）必须懂得在实验中应记录哪些量。（3）能独立地将测量数据整理成准则方程，正确区分实验法确定换热系数的两种方法的优、缺点以及适用范围，从而巩固课堂上学过的知识。二、实验原理影响自然对流的换热系数 的五大因素有：1由流体冷、热各部分的密度差产生的浮升力；2流体流动的状态；3流体的热物性；4换热

2、壁面的热状态；5换热壁面的几何因素；依据相似理论，它们之间的关系包含在准则方程之中。由于本实验中介质为空气，其物性随温度的变化较小，空气的Pr值随温度的变化不大，Pr0.72，故相应的准则方程可简化为：Nuf= f (Grf )对流换热问题的准则函数形式，通常采取指数函数的形式表示：Nuf= c Grf n式中：Nuf努谢尔特准则 Nuf=Grf葛拉晓夫准则 Grf =系数c，上标n 均为需通过实验来确定的常数。上述各准则中，有关的物理量及其单位分别为： 对流换热系数 W/（m2）D 实验单管外径 m 空气的导热系数 W/（m） 介质的膨胀系数 K-1g 重力加速度 m / s2t 介质和管壁

3、表面之间的温差 K 运动粘性系数 m2 / s下标f 表示各准则以流体介质在物体边界层以外处的温度tf为定性温度。要通过试验确定空气横向掠过单管时Nuf与Grf的关系，就要求葛拉晓夫数Grf有较大范围的变动才能保证求得的准则方程式的准确性。改变葛拉晓夫数Grf可以通过改变温度（t）及管子直径（D）来达到。测量的基本量为空气温度tf，管子表面温度tw及管子表面散出的热量Q。三、实验设备整套实验装置由实验台、控制箱、电脑三大部分组成。实验台上悬挂有试件（四种直径单根圆管），试件内装有电加热管，两端装有绝热盖（计算中略去轴向热损失）。试件上有热电偶嵌入管壁，所有单圆管中央的热电偶均与控温仪连接，防止

4、温度过高烧毁试件；沿管子圆周均匀分布热电偶均与巡检仪连接可直接显示管壁各个测点的温度。A、B、C、D管管壁的测温热电偶数分别为4、4、6、8个。试件结构如图一所示 图一、试件结构示意图1.加热导线 2.接线柱 3.绝热盖 4.绝缘法兰 5.绝热泡沫垫 6.绝热体 7.实验管 8.管腔 9.加热管 10.热电偶 控制箱内有稳压器可稳定输出电压，使其加到单管上的热量保持一定，并设置电压调节装置以改变加热量从而改变实验管壁面温度。电压、电流表分别显示电加热器的电压和电流；巡检仪可显示单圆管壁面各个测点的温度、实际电流、电压、室内温度。见图二： 图三、控制箱1D4=80mm测温琴键开关 2D3=60m

5、m测温琴键开关 3D2=40mm测温琴键开关 4D1=20mm测温琴键开关 5、25D4=80mm加热接线柱 6、24D3=60mm加热接线柱 7、23D2=40mm加热接线柱 8、22D1=20mm加热接线柱 916点万能信号输入巡检仪 10输出显示电压表 11高温保护温控仪 14热电偶接线柱组 (32对) 12D1=20mm输出显示加热电流表 13D2=40mm输出显示加热电流表 15D3=60mm输出显示加热电流表 16D4=80mm输出显示加热电流表17D1=20mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管18D2=40mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管 19D3

6、=60mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管 20D4=80mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管 21计算机采集RS232接口。电脑可显示并自动记录单圆管壁面温度、实际电流、电压、室内温度，通过数据分析，很容易判断系统是否达到稳定工况；它还可自动运算和描绘出图线。四、实验步骤1熟悉实验装置，连接电源线路和测量仪表线路，经指导教师检查确认无误后选择实验圆管，按下相应琴键开关，打开加热开关，调整调压旋钮开始加热，并保持电压不变。2当圆管各测温点温度在1015分钟不变时，认为管壁温度已稳定，此时为第一个稳定工况，可记录各测点温度，并同时记录电流I和电压U的数值以及离实验管1

7、米外室温tf。此过程计算机自动完成。3调整调压旋钮将电压调高至某一数值后保持不变，待各个测点温度稳定后，记录第二个稳定工况的上述各实验数据。4完成4个工况后，一组实验完成。5、选择其他管径圆管，重复上述过程，四组实验完成后，实验结束。五、实验记录附表一：试验原始数据记录待 测 或 已 知 物 理 量单位第一组第二组第三组第四组试管尺寸外 径 Dm0.020.040.060.08有效长度Lm11.21.41.6散热面积FDLm2允许最大功率W1200800600300黑度0.150.150.150.11绝对黑体辐射系数C0W/m2K45.6695.6695.6695.669参 数公式及符号单位工

8、况1234123412341234大气温度tf管壁温度tw电流IA电压UV 附表二: 实验管壁温度记录实验工况实验管壁温度管径D12345678平均（tw）1234 附表三：各工况数据处理工况组 列第 一 组第 二 组第 三 组第 四 组参 数计算式单位1234123412341234定性温度tf导热系数f根据tf查W/(mk)膨胀系数ff = 1/(273.5 + t f)K-1运动粘度f根据tf查m2/s加热量QQ=IUW辐射换热热流量Qr=C0 F()4-()4W对流换热热流量Qc=Q-QrW换热系数=W/(m2k)努谢特数NufNu= 葛拉晓夫数GrfGrf = 六、实验数据的整理1对

9、流换热系数 （经验法） 对铜管进行电加热，高温铜管对空气的热传递过程，是既有辐射又有对流换热的复杂换热过程。由高温铜管传递给空气的对流换热系流量和辐射换热的热流量公式分别为：Qc= F (twtf ) WQr =C0 F ()4 ()4 W 二者传递的总热流量为：Q=Qc+Qr=IU W Qc = QQr = IU C0 F ()4()4 W 因此： = = IU C0 F ()4()4/ (twtf ) F2确定准则方程式（半经验法） 待定方程 Nuf= c Grf n 取对数得 lgNuf = lgc + nlgGrf 以室温tf为定性温度算出各实验点的Nuf及Grf数值， lgNuf作为纵坐标, lgGrf作为横坐标，描绘在对数坐标图上，并计算出相应的c和n值，带入指数方程, 写出准则方程式。式中: lgNuf 与lgGrf -分别为纵坐标与横坐标lgc-直线方程的纵截距n = tg-直线的斜率式中：Qc 对流换热量tw 单管壁面的平均温度tf 实验单管前后空气的平