平均换热系数的测定课件

平均换热系数的测定平均换热系数的测定11．测定强制对流时空气横掠园管的平均换热系数α。2．应用相似理论将实验结果整理成准则关系式，并在双对数坐标上绘出Nu-Re曲线。3．了解实验的基本思想，加深应用模型试验方法解决工程实际中具体问题的认识。

一．目的意义强制对流换热是工程实际中最常遇到的传热学问题，有着广泛的应用。并且，强制对流平均换热系数是设备换热效率的重要指标，因此，测定对流换热系数有着工程实际意义。1．测定强制对流时空气横掠园管的平均换热系数α。一．目的意义2二．基本原理

空气横掠单管时，在管外形成了较为复杂的园柱绕流流场，园柱面附近的流速、压强分布与来流情况有很大变化，致使园管断面上各点换热系数不同。本实验不考虑各局部位置的影响，仅给出园管的综合换热效果，即平均换热系数α。

“热对流”是指流体中温度不同的各部分相互混合的宏观运动所引起的热量传递现象。根据引起流体宏观运动的原因不同，可以把“热对流”分为自然对流换热和强制对流换热。严格地说，强制对流换热中不能排除自然对流换热的作用，只是因为它的影响远小于前者而不予考虑。二．基本原理空气横掠单管时，在管外形成了较为复杂的园柱3根据牛顿冷却定律，在稳态热流条件下

（10-1）式中，α——平均换热系数，w/m2.℃

；

Q——单位时间放热量，W

；

tw,tf——分别为壁面温度和气流温度，℃；

A——放热管放热面积，m2

。

根据牛顿冷却定律，在稳态热流条件下4式中，

——努谢尔特数（准则）。由于Nu数中含有换热系数，故又称无因次换热系数，表征对流换热的强烈程度；

——雷诺数（准则）。是强制对流的一个重要的已定相似准则；

——普朗特数（准则）。表征动量传递热量传递的相似程度；d——放热管外径，m

；Λ——流体介质在定性温度tm下的导热系数，w/m.℃

——流体介质在定性温度tm下的运动粘度，m2/s

；a——流体介质在定性温度tm下导温系数，m2/s

。W——流体介质的速度，m/s

；应用相似理论研究强制对流换热问题，在几何相似的园管中及稳态热流条件下，换热规律可表述为

Nu=f(Re,Pr)（10-2）

式中，——努谢尔特数（准则）。由于Nu数中含有换热系数，5℃对于空气介质，在温度变化不大时，Pr数值变化很小可视作常数（如在室温条件下，Pr≈0.7），准则关系式可简化为Nu=f(Re)通常把实验结果整理成幂函数的形式Nu=CRem

（10-3）式中c和m的值根据实验数据用最小二乘法确定。

其中，流体介质的定性温度

6三．实验器材

测定装置见图10-1所示。1．风源——箱式风洞，由风箱、风机、风门及试验段组成。2．电源——提供直流低压大电流的硅整流器。3．试件——四支外径不同、内部绝热、外覆不锈钢薄片的放热管，内壁焊有热电偶热端（铜—康铜）。4．流速测量仪表——毕托管、倾斜式微压计。5．温度测量仪表——热电偶冷端、分压箱、电位差计、水银温度计。武汉理工大学*材料科学与工程学院三．实验器材测定装置见图10-1所示。武汉理工大学*材料科71.风箱；2、风机；3、试验段；4、试件5、硅整流器；6、风门7、毕托管；8、倾斜微压计；9、分压箱；10、电位差计；11、管内热电偶；12、冷端热电偶。图10-1平均换热系数测定实验装置示意图1.风箱；图10-1平均换热系数测定实验装置示意图8箱式风洞武汉理工大学*材料科学与工程学院

箱式风洞由风箱、风机、风门及试验段组成。箱式风洞武汉理工大学*材料科学与工程学院箱式风9电位差计武汉理工大学*材料科学与工程学院

温度测量仪表——由热电偶冷端、分压箱、电位差计、水银温度计进行组合电位差计武汉理工大学*材料科学与工程学院温度测量10倾斜式微压计武汉理工大学*材料科学与工程学院

流速测量仪表——由毕托管、倾斜式微压计进行组合倾斜式微压计武汉理工大学*材料科学与工程学院流速11试件武汉理工大学*材料科学与工程学院

四支外径不同、内部绝热、外覆不锈钢薄片的放热管，内壁焊有热电偶的热端（铜—康铜）试件武汉理工大学*材料科学与工程学院四支外径12四．测试步骤

1．在试验段上安装毕托管，使其开口正迎来流方向，并用胶管与微压计接通。微压计调平、调零。2．接电源于试验段极片；将测定电源电压的导线接于分压箱相应接线柱上。3．将试件插入试验段，冷端热电偶（铜-康铜）装在与毕托管相对应的位置，用导线实现热电偶冷，热端的串联，以测出温差（tw-tf）的热电势E（tw,tf）。将导线接到分压箱相应接线柱上，进行电位差计的调试。武汉理工大学*材料科学与工程学院仪器配置与接线示意图四．测试步骤1．在试验段上安装毕托管，使其开口13

4．关闭风门开启风机，打开风门至2或3挡，然后通电，调节电流至参考值。武汉理工大学*材料科学与工程学院电流参考值放热管1（粗）234（细）电流参考值（A）25201612注意：每组电源供2台设备，即有2只放热管，所以电源的电流按上值加倍。

4．关闭风门开启风机，打开风门至2或3挡，然后通14

5．热稳定后（2-3分钟）测定并记录气流动压读数△h(mmH2O)；电压V1、电压V2、温差势电热E（tw,tf）读数（均为mv）以及气流温度tf。6．调节风门，改变流速，重复步骤4，共测4组数据(风门调节，每次相差约10mmH2O)。7．关闭电源，片刻后关闭风机，更换放热管(必须2只一起换,即一组实验做完后，必须等另一组做完后再停电。否则会烧坏放热管)，重复步骤3、4、5。8．实验结束，关闭电源，片刻后关闭风机及风门，仪器仪表归位。武汉理工大学*材料科学与工程学院5．热稳定后（2-3分钟）测定并记录气流动压读15五．实验结果处理测量项目单位

第一组

第二组

第三组

放热管的尺寸外径d

m

长度l

m

0.10.10.1面积F

m2工况编号

123412341234气流动压△h

mmH2O工作电流

参考值A实测值

A工作电压U

V气流温度tf

℃

温差热电势E

mv

壁温热电势E

mv表10-1实验数据记录表

五．实验结果处理测量项目单位第一组第二组第三组放热外161.

计算流速、发热量、放热管壁温、温差（tw-tf）及平均换热系数α，并将计算结果列于表10-2中。⑴流速w对于气体流动，根据伯努利方程有当△p用mmH2O表示时，由于1mmH2O=9.81Pa，所以流速计算公式可写为式中ρ——空气密度（温度为tf时），kg/m3；△h——动压读数，mmH2O

。

武汉理工大学*材料科学与工程学院1.计算流速、发热量、放热管壁温、温差（tw-tf）及17⑵试件工作段发热量QQ=IU(w)式中，I=2V2；A——工作段电流。其中V2为工作电流通过标准电阻后的电压降mv值。由于本实验装置两台并联共用，放热管相同时，可近似认为每台通过的工作电流相等，即：I=V2(A)V=T×V1×10-3

式中V——工作段电压降。T为分压箱电压倍率，T=201。V1为工作段电压经分压箱后测得的mV值。武汉理工大学*材料科学与工程学院⑵试件工作段发热量Q武汉理工大学*材料科学与工程学院18⑶放热管壁温tw由于放热管是由很薄的不锈钢片制成（厚约0.2mm），所以可认为钢片内外表面温度相等，壁温热电势可用下式计算：E(tw,0)=E(tw,tf)+E(tf,0)式中右边第一项测量给出，第二项根据tf查分度表给出，算出E(tw,0)，查出tw

。再算出过余温度tw-tf

。⑷平均换热系数α(w/m2℃)

武汉理工大学*材料科学与工程学院⑶放热管壁温tw(w/m2℃)武汉理工大学*材料科192．用最小二乘法计算c、m值，给出准则公式。在双对数坐标纸上绘出Nu-Re曲线，并点绘出各实验点⑴计算雷诺数和努谢尔特数，将计算结果列于表10-2中。

⑵通常把实验结果整理成幂函数的形式。式中系数c和指数m应用最小二乘法确定。对上式两边取对数

令LgNu=y,LgRe=x，则有直线关系式

y=a+mx根据最小二乘法，常数a、m按下列公式计算式中n为试验点数目。武汉理工大学*材料科学与工程学院2．用最小二乘法计算c、m值，给出准则公式。在双对数坐标纸上20⑶在双对数坐标纸上画出Nu-Re曲线，并点绘出各实验点用Excel也可作图，用数据绘图结果如下。用Excel添加趋势线的方法，可以直接给出Nu-Re对应的方程。武汉理工大学*材料科学与工程学院⑶在双对数坐标纸上画出Nu-Re曲线，并点绘出各实验点21影响因素分析1．本实验装置包括测风速和测温度两个系统。测风速系统使用一支毕托管测定风道内某一点处的风速。所以要求风道中各点处的风速均匀，否则测得的风速不具代表性，影响实验数据处理的准确。2．本实验属稳定态传热，但由于加热系统没有稳压装置，所以换热管表面温度难免有些波动，对测量结果有较大的影响。3．各种测试仪器在使用前必须进行校正以便保证测试结果的准确。武汉理工大学*材料科学与工程学院影响因素分析武汉理工大学*材料科学与工程学院22思考题1、如何从温差热电势E（tw,tf）算出放热管壁温tw和过余温度tw-tf？2、如何扩大实验范围？你有何设想？主要参考文献[1]孙晋涛，硅酸盐工业热工过程及设备（上册），建筑工业出版社，1985年(第2版)。[2]上海交大热工实验室，空气横掠单管时平均换热系数的测定。武汉理工大学*材料科学与工程学院思考题主要参考文献武汉理工大学*材料科学与工程学院23平均换热系数的测定平均换热系数的测定241．测定强制对流时空气横掠园管的平均换热系数α。2．应用相似理论将实验结果整理成准则关系式，并在双对数坐标上绘出Nu-Re曲线。3．了解实验的基本思想，加深应用模型试验方法解决工程实际中具体问题的认识。

一．目的意义强制对流换热是工程实际中最常遇到的传热学问题，有着广泛的应用。并且，强制对流平均换热系数是设备换热效率的重要指标，因此，测定对流换热系数有着工程实际意义。1．测定强制对流时空气横掠园管的平均换热系数α。一．目的意义25二．基本原理

空气横掠单管时，在管外形成了较为复杂的园柱绕流流场，园柱面附近的流速、压强分布与来流情况有很大变化，致使园管断面上各点换热系数不同。本实验不考虑各局部位置的影响，仅给出园管的综合换热效果，即平均换热系数α。

“热对流”是指流体中温度不同的各部分相互混合的宏观运动所引起的热量传递现象。根据引起流体宏观运动的原因不同，可以把“热对流”分为自然对流换热和强制对流换热。严格地说，强制对流换热中不能排除自然对流换热的作用，只是因为它的影响远小于前者而不予考虑。二．基本原理空气横掠单管时，在管外形成了较为复杂的园柱26根据牛顿冷却定律，在稳态热流条件下

（10-1）式中，α——平均换热系数，w/m2.℃

；

Q——单位时间放热量，W

；

tw,tf——分别为壁面温度和气流温度，℃；

A——放热管放热面积，m2

。

根据牛顿冷却定律，在稳态热流条件下27式中，

——努谢尔特数（准则）。由于Nu数中含有换热系数，故又称无因次换热系数，表征对流换热的强烈程度；

——雷诺数（准则）。是强制对流的一个重要的已定相似准则；

——普朗特数（准则）。表征动量传递热量传递的相似程度；d——放热管外径，m

；Λ——流体介质在定性温度tm下的导热系数，w/m.℃

——流体介质在定性温度tm下的运动粘度，m2/s

；a——流体介质在定性温度tm下导温系数，m2/s

。W——流体介质的速度，m/s

；应用相似理论研究强制对流换热问题，在几何相似的园管中及稳态热流条件下，换热规律可表述为

Nu=f(Re,Pr)（10-2）

式中，——努谢尔特数（准则）。由于Nu数中含有换热系数，28℃对于空气介质，在温度变化不大时，Pr数值变化很小可视作常数（如在室温条件下，Pr≈0.7），准则关系式可简化为Nu=f(Re)通常把实验结果整理成幂函数的形式Nu=CRem

（10-3）式中c和m的值根据实验数据用最小二乘法确定。

其中，流体介质的定性温度

29三．实验器材

测定装置见图10-1所示。1．风源——箱式风洞，由风箱、风机、风门及试验段组成。2．电源——提供直流低压大电流的硅整流器。3．试件——四支外径不同、内部绝热、外覆不锈钢薄片的放热管，内壁焊有热电偶热端（铜—康铜）。4．流速测量仪表——毕托管、倾斜式微压计。5．温度测量仪表——热电偶冷端、分压箱、电位差计、水银温度计。武汉理工大学*材料科学与工程学院三．实验器材测定装置见图10-1所示。武汉理工大学*材料科301.风箱；2、风机；3、试验段；4、试件5、硅整流器；6、风门7、毕托管；8、倾斜微压计；9、分压箱；10、电位差计；11、管内热电偶；12、冷端热电偶。图10-1平均换热系数测定实验装置示意图1.风箱；图10-1平均换热系数测定实验装置示意图31箱式风洞武汉理工大学*材料科学与工程学院

箱式风洞由风箱、风机、风门及试验段组成。箱式风洞武汉理工大学*材料科学与工程学院箱式风32电位差计武汉理工大学*材料科学与工程学院

温度测量仪表——由热电偶冷端、分压箱、电位差计、水银温度计进行组合电位差计武汉理工大学*材料科学与工程学院温度测量33倾斜式微压计武汉理工大学*材料科学与工程学院

流速测量仪表——由毕托管、倾斜式微压计进行组合倾斜式微压计武汉理工大学*材料科学与工程学院流速34试件武汉理工大学*材料科学与工程学院

四支外径不同、内部绝热、外覆不锈钢薄片的放热管，内壁焊有热电偶的热端（铜—康铜）试件武汉理工大学*材料科学与工程学院四支外径35四．测试步骤

1．在试验段上安装毕托管，使其开口正迎来流方向，并用胶管与微压计接通。微压计调平、调零。2．接电源于试验段极片；将测定电源电压的导线接于分压箱相应接线柱上。3．将试件插入试验段，冷端热电偶（铜-康铜）装在与毕托管相对应的位置，用导线实现热电偶冷，热端的串联，以测出温差（tw-tf）的热电势E（tw,tf）。将导线接到分压箱相应接线柱上，进行电位差计的调试。武汉理工大学*材料科学与工程学院仪器配置与接线示意图四．测试步骤1．在试验段上安装毕托管，使其开口36

4．关闭风门开启风机，打开风门至2或3挡，然后通电，调节电流至参考值。武汉理工大学*材料科学与工程学院电流参考值放热管1（粗）234（细）电流参考值（A）25201612注意：每组电源供2台设备，即有2只放热管，所以电源的电流按上值加倍。

4．关闭风门开启风机，打开风门至2或3挡，然后通37

5．热稳定后（2-3分钟）测定并记录气流动压读数△h(mmH2O)；电压V1、电压V2、温差势电热E（tw,tf）读数（均为mv）以及气流温度tf。6．调节风门，改变流速，重复步骤4，共测4组数据(风门调节，每次相差约10mmH2O)。7．关闭电源，片刻后关闭风机，更换放热管(必须2只一起换,即一组实验做完后，必须等另一组做完后再停电。否则会烧坏放热管)，重复步骤3、4、5。8．实验结束，关闭电源，片刻后关闭风机及风门，仪器仪表归位。武汉理工大学*材料科学与工程学院5．热稳定后（2-3分钟）测定并记录气流动压读38五．实验结果处理测量项目单位

第一组

第二组

第三组

放热管的尺寸外径d

m

长度l

m

0.10.10.1面积F

m2工况编号

123412341234气流动压△h

mmH2O工作电流

参考值A实测值

A工作电压U

V气流温度tf

℃

温差热电势E

mv

壁温热电势E

mv表10-1实验数据记录表

五．实验结果处理测量项目单位第一组第二组第三组放热外391.

计算流速、发热量、放热管壁温、温差（tw-tf）及平均换热系数α，并将计算结果列于表10-2中。⑴流速w对于气体流动，根据伯努利方程有当△p用mmH2O表示时，由于1mmH2O=9.81Pa，所以流速计算公式可写为式中ρ——空气密度（温度为tf时），kg/m3；△h——动压读数，mmH2O

。

武汉理工大学*材料科学与工程学院1.计算流速、发热量、放热管壁温、温差（tw-tf）及40⑵试件工作段发热量QQ=IU(w)式中，I=2V2；A——工作段电流。其中V2为工作电流通过标准电阻后的电压降mv值。由于本实验装置两台并联共用，放热管相同时，可近似认为每台通过的工作电流相等，即：I=V2(A)V=T×V1×10-3

式中V——工作段电压降。T为分压箱电压倍率，T=201。V1为工作段电压经分压箱后测得的mV值。武汉理工大学*材料科学与工程学院⑵试件工作段发热量Q武汉理工大学*材料科学与工程学院41⑶放热管壁温tw由于放热管是由很薄的不锈钢片制成（厚约0.2mm），所以可认为钢片内外表面温度相等，壁温热电势可用下式计算：E(tw,0)=E(tw,tf)+E(tf,0)式中右边第一项测量给出，第二项根据tf查分度表给出，算出E(tw,0)，查出tw

。再算出过余温度