传热学实验_空气横掠单管时平均换热系数的测定

空气横掠单管时平均换热系数的测定

热交换器中广泛使用各种管子作为传热元件，其外侧通常为流体横向掠过管子的强制对流换热方式，因此测定流体横向掠过管子时的平均换热系数是传热中的基本试验。本实验是测定空气横向掠过单圆管时的平均换热系数。

一、实验目的及要求

1．了解实验装置、熟悉空气流速及管壁温度的测量方法，掌握测试仪器、仪表的使用方法；

2．通过对实验数据的综合、整理，掌握强制对流换热实验数据整理的方法；

3．了解空气横掠管子时的换热规律。

二、基本原理

根据对流换热的分析，稳定受迫对流的换热规律可用下列准则关系式来表示： Nuf(Re,Pr) （1）

对于空气，温度变化范围又不大，上式中的普朗特数Pr变化很小，可作为常数看待。故上式简化为：

Nuf(Re) （2） 努谢尔特数：

NuD 

uD

2雷诺数： Re其中：――空气横掠单管时的平均换热系数，W/(mC)；

u――来流空气的速度，m/s；

D――定型尺寸，取管子外径，m；

――空气的导热系数，W/(mC)；

――空气的运动粘度，m/s

要通过实验确定空气横向掠过单管时Nu与Re的关系，就要求实验中雷诺数Re有较大范围的变化，才能保证求得的准则方程式的准确性。改变雷诺数可以通过改变空气流速u及管子直径D来达到。改变流速u受风机压头及风量的限制。本实验采用在不同的空气速度条件下进行实验，就可以达到Re较大范围的变化。

测量的基本量为：管口的空气流速、空气温度、管子表面的温度及管子表面散出的热量。然后将全部实验结果整理在一起，以求得换热准则关系的具体表达式。 2

三、实验装置及测量系统

实验装置本体是由风源和实验段构成。

风源为一箱式风洞，似一个工作台。风机、稳压箱、收缩口都设置在箱体内。风箱中央

为空气出风口，形成一有均匀流速的空气射流。实验段的风道直接放置在出风口上。风机吸入口有一调节风门，可以改变实验段风道中的空气流速。

图1为测定空气横掠单管平均换热系数的实验段简图。

图1 实验段

实验段风道1由有机玻璃制成。实验管2为不锈钢薄壁管，横置于风道中间。为了保证管子加热量测量及管壁温度测量的准确性，管子用低压直流电直接通电加热。管子两端经接座与电源导板3连接，并易于更换不同直径的实验管。为了准确测定实验管上的加热功率，在离管端一定距离处焊有二个电压测点a、b，以排除管子两端的影响。铜－康铜热电偶5设置在管内，在绝热条件下准确地测量出管内壁温度，然后确定出管外壁温度。

图2为该实验装置及其测量系统简图。

6

2

ab4

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图2 测定空气横掠单管平均换热系数的试验装置简图

1.电源 2.风源 3倾斜式微压计 4.毕托管

5.电位差计 6.转换开关 7. 热电偶冷端 8.热电偶热端

实验管加热用的低压大电流直流电由硅整流电源1供给，调节整流电源输出电压可改变对管子的加热功率。电路中串联一个标准电阻，测量标准电阻上的电压降，可以确定流过不锈钢管的电流量，电流值由整流电源上的电流表读出。实验管两测压点a，b间的电压用电位差计测量。由于受电位差计量程限制，测量a，b间电压的电路中接入分压箱。

为了简化测量系统，测量管内壁温度t1的热电偶，其参考点温度不是摄氏零度，而是空气温度tf。即热电偶的热端8设在管内，冷端7则放在风道空气流中。所以热电偶反映的为管内壁温度与空气温度之差t1tf的热电势E(t1,tf)，经过转换开关，用电位差计测量。

风道上装有毕托管4，通过倾斜式微压计3测出试验段中的空气流的动压h，以确定实验段中空气流的流速u。

空气流的温度tf用水银温度计测量。

四、实验步骤

1．联接并检查所有线路和设备。将硅整流电源电压调节旋钮转至零位。然后接通风机电源，调节风门至最大风量。再接通整流电源，将电流调到指定的参考值。将微压计、热电偶读数稳定后即可测量各有关数据。

2．保持加热功率基本不变，调风门关小，稳定后又可测到一组数据。实验时，空气流

速可调整4－5个工况。加热电流及电压可保持不变。每调整一个工况，须待微压计、热电偶读数等稳定后方能测量各有关数据。

五、实验数据的计算与整理

实验数据：

风道通流截面0.08m×0.16m

-3圆柱直径D=48×10m

总长度L=0.147m

1． 空气来流速度U（详见附录A）

U29.81

h m/s （3）

其中：⊿h――毕托管测得空气流的动压，mmH2O；

――空气密度，kg/m3

2． 管壁温度tw

实验管为有内热源的圆筒形壁，且内壁绝热，因此，内壁温度t1大于外壁温度tw。（根据管内温度可以计算外壁温度tw）。由于所用管壁很薄，仅0.2～0.3mm，且空气对管外的换热系数较小，可足够准确地认为tw＝t1。

3． 流过试验管的电流I

标准电阻为150A/75mV,所以测得标准电阻上每1mV的电压降等于2A电流流过，即：

I2V1 A （4）

其中：V1――标准电阻两端的电压降，mV。

4． 实验管工作段a ,b间的电压降V

VTV2103 V （5）

其中：T――分压箱倍率，T＝201；

V2――a ,b间电压经分压箱后测得的值，mV。

5． 试验管工作段a ,b间的发热量Q

QIV W （6）

6． 空气流对管外壁的平均换热系数

Q W/(mC) （7） A(twtf)

2其中：A――电压测点a ,b间实验管的外表面积，m。

7. 换热准则方程式

根据每一实验工况所测得的值，可计算出相应的Nu值及Re值。在双对数坐标纸上，

以Nu为纵轴，Re为横轴，将各工况点绘出，它们的规律可近似地用一条直线表示：

lgNuamlgRe （8） 则Nu和Re之间的关系可近似表示为一指数方程的形式：

NuCRem （9）

其中algC

如用：xlgRe；ylgNu,则可表示成：

yamx

根据最小二乘法原理，系数a及m可按下式计算：

xyx yxa(x)nx222

mxy nxy (x)nx22

其中：n――实验的数目；

xy(lgRe)(lNug)；

Re)； x(lg

在计算Nu及Re时，所用的空气物性参数、，以边界层的平均温度tm

定性温度，查有关表格。 22twtf2为

六、实验注意事项

1．首先了解整个实验装置各个部分，并熟悉仪表的使用，以免损坏仪器。

2．为确保管壁温度不致超过允许的范围，启动及工况改变时都必须注意操作顺序。启动时必须先开风机，调整风速，然后对实验管通电加热，并调整到要求的工况。注意电流表上的读数，不允许超过工作电流参考值。实验完毕时，必须先关加热电源，待试件冷却后，再关风机。

空气横掠单管时平均换热系数的测定

热交换器中广泛使用各种管子作为传热元件，其外侧通常为流体横向掠过管子的强制对流换热方式，因此测定流体横向掠过管子时的平均换热系数是传热中的基本试验。本实验是测定空气横向掠过单圆管时的平均换热系数。

一、实验目的及要求

1．了解实验装置、熟悉空气流速及管壁温度的测量方法，掌握测试仪器、仪表的使用方法；

2．通过对实验数据的综合、整理，掌握强制对流换热实验数据整理的方法；

3．了解空气横掠管子时的换热规律。

二、基本原理

根据对流换热的分析，稳定受迫对流的换热规律可用下列准则关系式来表示： Nuf(Re,Pr) （1）

对于空气，温度变化范围又不大，上式中的普朗特数Pr变化很小，可作为常数看待。故上式简化为：

Nuf(Re) （2） 努谢尔特数：

NuD 

uD

2雷诺数： Re其中：――空气横掠单管时的平均换热系数，W/(mC)；

u――来流空气的速度，m/s；

D――定型尺寸，取管子外径，m；

――空气的导热系数，W/(mC)；

――空气的运动粘度，m/s

要通过实验确定空气横向掠过单管时Nu与Re的关系，就要求实验中雷诺数Re有较大范围的变化，才能保证求得的准则方程式的准确性。改变雷诺数可以通过改变空气流速u及管子直径D来达到。改变流速u受风机压头及风量的限制。本实验采用在不同的空气速度条件下进行实验，就可以达到Re较大范围的变化。

测量的基本量为：管口的空气流速、空气温度、管子表面的温度及管子表面散出的热量。然后将全部实验结果整理在一起，以求得换热准则关系的具体表达式。 2

三、实验装置及测量系统

实验装置本体是由风源和实验段构成。

风源为一箱式风洞，似一个工作台。风机、稳压箱、收缩口都设置在箱体内。风箱中央

为空气出风口，形成一有均匀流速的空气射流。实验段的风道直接放置在出风口上。风机吸入口有一调节风门，可以改变实验段风道中的空气流速。

图1为测定空气横掠单管平均换热系数的实验段简图。

图1 实验段

实验段风道1由有机玻璃制成。实验管2为不锈钢薄壁管，横置于风道中间。为了保证管子加热量测量及管壁温度测量的准确性，管子用低压直流电直接通电加热。管子两端经接座与电源导板3连接，并易于更换不同直径的实验管。为了准确测定实验管上的加热功率，在离管端一定距离处焊有二个电压测点a、b，以排除管子两端的影响。铜－康铜热电偶5设置在管内，在绝热条件下准确地测量出管内壁温度，然后确定出管外壁温度。

图2为该实验装置及其测量系统简图。

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图2 测定空气横掠单管平均换热系数的试验装置简图

1.电源 2.风源 3倾斜式微压计 4.毕托管

5.电位差计 6.转换开关 7. 热电偶冷端 8.热电偶热端

实验管加热用的低压大电流直流电由硅整流电源1供给，调节整流电源输出电压可改变对管子的加热功率。电路中串联一个标准电阻，测量标准电阻上的电压降，可以确定流过不锈钢管的电流量，电流值由整流电源上的电流表读出。实验管两测压点a，b间的电压用电位差计测量。由于受电位差计量程限制，测量a，b间电压的电路中接入分压箱。

为了简化测量系统，测量管内壁温度t1的热电偶，其参考点温度不是摄氏零度，而是空气温度tf。即热电偶的热端8设在管内，冷端7则放在风道空气流中。所以热电偶反映的为管内壁温度与空气温度之差t1tf的热电势E(t1,tf)，经过转换开关，用电位差计测量。

风道上装有毕托管4，通过倾斜式微压计3测出试验段中的空气流的动压h，以确定实验段中空气流的流速u。

空气流的温度tf用水银温度计测量。

四、实验步骤

1．联接并检查所有线路和设备。将硅整流电源电压调节旋钮转至零位。然后接通风机电源，调节风门至最大风量。再接通整流电源，将电流调到指定的参考值。将微压计、热电偶读数稳定后即可测量各有关数据。

2．保持加热功率基本不变，调风门关小，稳定后又可测到一组数据。实验时，空气流

速可调整4－5个工况。加热电流及电压可保持不变。每调整一个工况，须待微压计、热电偶读数等稳定后方能测量各有关数据。

五、实验数据的计算与整理

实验数据：

风道通流截面0.08m×0.16m

-3圆柱直径D=48×10m

总长度L=0.147m

1． 空气来流速度U（详见附录A）

U29.81

h m/s （3）

其中：⊿h――毕托管测得空气流的动压，mmH2O；

――空气密度，kg/m3

2． 管壁温度tw

实验管为有内热源的圆筒形壁，且内壁绝热，因此，内壁温度t1大于外壁温度tw。（根据管内温度可以计算外壁温度tw）。由于所用管壁很薄，仅0.2～0.3mm，且空气对管外的换热系数较小，可足够准确地认为tw＝t1。

3． 流过试验管的电流I

标准电阻为150A/75mV,所以测得标准电阻上每1mV的电压降等于2A电流流过，即：

I2V1 A （4）

其中：V1――标准电阻两端的电压降，mV。

4． 实验管工作段a ,b间的电压降V

VTV2103 V （5）

其中：T――分压箱倍率，T＝201；

V2――a ,b间电压经分压箱后测得的值，mV。

5． 试验管工作段a ,b间的发热量Q

QIV W （6）

6． 空气流对管外壁的平均换热系数

Q W/(mC) （7） A(twtf)

2其中：A――电压测点a ,b间实验管的外表面积，m。

7. 换热准则方程式

根据每一实验工况所测得的值，可计算出相应的Nu值及Re值。在双对数坐标纸上，

以Nu为纵轴，Re为横轴，将各工况点绘出，它们的规律可近似地用一条直线表示：

lgNuamlgRe （8） 则Nu和Re之间的关系可近似表示为一指数方程的形式：

NuCRem （9）

其中algC

如用：xlgRe；ylgNu,则可表示成：

yamx

根据最小二乘法原理，系数a及m可按下式计算：

xyx yxa(x)nx222

mxy nxy (x)nx22

其中：n――实验的数目；

xy(lgRe)(lNug)；

Re)； x(lg

在计算Nu及Re时，所用的空气物性参数、，以边界层的平均温度tm

定性温度，查有关表格。 22twtf2为

六、实验注意事项

1．首先了解整个实验装置各个部分，并熟悉仪表的使用，以免损坏仪器。

2．为确保管壁温度不致超过允许的范围，启动及工况改变时都必须注意操作顺序。启动时必须先开风机，调整风速，然后对实验管通电加热，并调整到要求的工况。注意电流表上的读数，不允许超过工作电流参考值。实验完毕时，必须先关加热电源，待试件冷却后，再关风机。