水平圆管外表面空气自然对流换热实验

1、水平圆管外表面空气对流换热实验李刚2007010526精721、 实验目的与任务1、 测定水平圆管加热时周围空气自然对流换热平均表面传热系数h。2、 根据自然对流放热过程的相似分析，将实验数据整理成准则方程式。3、 通过实验加深对相似理论基本内容的理解。2、 实验原理根据相似理论，空气沿水平管外表面自然对流时，一般可以得到如下指数形式的准则关联式：式中，Nu,努谢尔特准则:Gr,格拉晓夫准则：Pr,普朗特准则，是温度的函数。C和n均为常数。我们的任务就是通过实验确定式中的这两个常数。在准则式中，空气的导热系数入，运动粘度v,以及普朗特准则数Pr可以根据实验管壁温度tw和环境温度tf的平均值tm

2、,查表得到。空气的容积膨胀系数”取理想气体的膨胀系数，a=1/Tm。g是重力加速度，D是管子直径，t是远离管壁的空气温度差，t=tw-tf。为水平管的有效长度。式中，为水平管外表面与周围空气之间的对流换热量，式中，为实验管外表面的黑度，黑体辐射系数由对流换热表面传热系数环境的辐射换热1k的实际传出热量为对流换热和辐身,在气体中的对流换热，不可避免的会伴随有热壁面与周围环境的辐射换热，境温度则管则 tm=(tw+tf)/2=50.1又由于 炉/(273+50.1D=38.0mm146h= Q/F- CoF(Nu=h D/ 入 =1Q=I U= U i - Uv查表可得，tw=81.6 (X 10

3、-3k-1p =1.093kg/m3,Cp=1v=17.95 x 10-6m2/s, Pr=0.698所以 Gr= (g - a-mm , F0.08查表得物性参数:为空气温度。于是，水平管外表面对流换热表面传热系数就可以由下式确定:上式中，对给定外径D和长度L表面黑度确定的水平实验管，只要测定管的实际传出热量Q,管外壁温tw,远离壁面约1m处空气温度tf,就可以确定水平管外表面对流换热表面传热系数h。要确定C和n,还要求实验的Nu-GrPr的数据足够多，GrPr的变化范围足够大。3、 数据处理原始数据如下所示：管序号tw/ Ctm/ Cm|Wam K)Q/W HWam2Gr185.552.1

4、M.8426.72 MH 11.320.69842360.8281.650.12.8383.518.710.698325424367.743.22.7882.256.860.699635000484.951.72.8474.228.6370.698198737539.429.02.663.469.650.70158906-7-实验其它组的数据整理,6 C圆管编号：2次序tft1/mVt2/mVt3/mVt4/mVt5/mVt6/mVUi/mVUv/V10.7333.4423.5983.6003.3793.3253.15713.70560.92920.7333.4533.5973.6113.39

5、63.3283.16613.70660.929直径D=38.0mm,长度L=1190mm,表面黑度=0.08,标准电阻R=0.01Q求平均值：U(tw)=3.3.706mV,Uv=60,929V8121.570.02.96497.067.100.6944717000各实验管的设备参数如下:圆管序号直径D/mm长度L/mm表面黑度e热偶个数n标准电阻R119.05600.0840.01Q238.011900.0860.01Q350.014300.0870.01Q432.012000.0860.01Q513.04000.0840.1Q615.85000.0840.01Q725.07600.0860

6、.01Q886.422710.0880.01Q根据上述数据计算各实验圆管表面流场的Nu值，如下表所示:圆管序号NuGrPrGr-Prlg(Nu)lg(Gr-Pr)17.57423610.698295680.884.47211.673254240.6982271461.075.36312.346350000.6994438651.095.6549.731987370.6981387180.995.1454.7258900.70141290.673.626-7-820.7247170000.69432735981.326.52拟合lg(Nu)-lg(GrPr)曲线,如下图所示:lg(Nu)-lg(

7、Gr?Pr)曲线lg(Gr?Pr)从上图可得lg(Nu)=0.106+0.2163xlg(Gr-Pr)mtt入c0.106则C=10=0.7834,n=0.2163Nu=0.7834(GrPr)0.21634、 误差分析把实验分析得到的数据和参考书给出的水平圆管空气自热换热对流换热经验准则方程式进行比较分析。02547Nu=0.48(GrPr)0(104:二GrPr：107)Nu=0.85(GrPr)0.188(l0二GrPr104)对比数据如下：圆管序号GrPrNu理论值Nu实验值h理论值W/(m2-K)h实验值W/(m2-K)相对偏差/%1295686.297.579.4111.2620.3222714610.4811.677.808.6811.4344386512.3912.346.886.81-0.441387189.269.738.228.675.1541294.074.728.339.6416.06-7-8327359820.4220.727.007.101.5从上表中可以看出，实验结果与理论计算结果基本符合，个别圆管的实验相对误差比较大，如圆管1的相对偏差达到了20.3%、圆管5的相对偏差达到16.0%。造成实验误差的原因主要有：1、圆管壁温分布不均匀，尽管实验中通过分段测温，然后求温度平均值，但仍然存在一定的误差，比如圆管1和圆管5的热偶个数较少，