空气横掠管束时的强迫对流传热实验

空气横掠管束时的强迫对流传热实验13级能动卓越唐萍南201323060314同组人员：方迅舟潘捷陈明松摘要：对管束的排列方式、空气来流速度的大小对换热系数的影响进行了实验验证。并根据最小二乘法等数据处理方法整理了使用本系统测试的实验数据,对实验数据进行了分析与讨论。以图表的形式清晰的表述了影响因素的不同带来的变化规律。实验系统结构合理紧凑、实验精度较高。通过此次实验，很好的帮助了学生了解换热系数在空气横掠管束时的主要影响因素，对以后的学习以及工作中从事换热方面的研究打下坚实的基础。关键词：叉排，顺排，换热系数，来流速度目录一.实验原理..............................................................11.1管束排列方式对换热系数的影响：....................................11.2来流速度对换热系数的影响：........................................2二．实验装置及测量系统..................................................2三．实验步骤.............................................................3四．实验数据计算方法....................................................4五．试验结果分析........................................................65.1试验结果处理步骤（以50pa动压顺排方式为例）.......................65.1来流速度对换热系数的影响试验结果分析..............................75.2管束排列方式对换热系数的影响验结果分析............................9六.实验优缺点分析.....................................................111对流换热是传热学中最基本、最重要的研究领域之一，流体横掠管束管束时的对流换热其换热系数除受到管径影响外，还受到管距、管排数和排列方式的影响。由于相邻圆管的影响，流体在管间的流动截面交叉减少，流体在管间交替加减速，管距的大小影响流体流动截面的变化程度和流体加减速的程度，管束排列方式对换热系数h的影响比较明显。本文将从管束的排列方式、空气来流速度的大小对换热系数的影响方面展开细致的讨论。一.实验原理1.1管束排列方式对换热系数的影响：流体横掠管束时的对流传热与横掠单管时不同，除管径影响传热系数外，管距，管排数和排列方式也影响对流传热系数。由于相邻管子的影响，流体在管间的流动截面交叉的减少，流体在管间交替地加速和减速。管距地大小影响流体流动截面的变化程度和流体加速与减速的程度。从第二排起，后排管子受第一排尾部涡流的的影响。在尾部涡旋的作用下，后排管子的对流传热系数h比前排高，也就是说，第二排管子受第一排尾部涡流的影响，h1＞h2；第三排管子受第二排尾部涡流的影响，而且由于这种涡流经第一排和第二排管束的共同作用，扰动更强烈，所以h3＞h2。同样h4＞h3...，但经过几排管子以后扰动基本稳定，hz几乎不再变化。2管束排列方式对h的影响比较明显。由图1可见顺排时后排管子直接位于前排管子的尾流中，部分管面没有受到来流的直接冲刷，而叉排时后排管子受到前排管子间来流的直接冲刷，因而管子前半部分的传热情况要比顺排好，整个叉排管束的平均对流传热系数比顺排高。工程商大多数管束处于Re不大的情况下，符合上述情况。在Re较高时，由于顺排管束尾部涡流增强，使后排管子受到尾流影响的面积增加，而且由于涡流增强，扰动更强烈，以致顺排束的队里传热系数可超高叉排管束。1.2来流速度对换热系数的影响：在同一种管排方式下，当空气来流速度不断变化时，可以从图一想象的到，空气的涡流将更加的紊乱，扰动将愈加的强烈，这样一来便可在相同的时间内带走更多的热量，导致换热系数的变化。同时，可以从书上所给关联式知道，努谢尔数与雷诺数成正比，而雷诺数与空气来流速度成正比，由此可知空气来流速度增加，换热系数将增加。二．实验装置及测量系统3三．实验步骤1.连接并检查所有线路和设备，在仪表正常工作后，关闭直流供电电源！将交流供电源开关打开，调节旋钮先转至零位。2.然后点击变频器的RUNSTOP键。根据需要调节变频器和交流电调节旋钮，注意观察控制箱面板上的功率表，并准不提高输出功率，对管束缓慢加热。为避免损坏配件，又能达到足够的测温准确度，加热功率大小的调整以使壁面温度控制在80℃以下为原则。带设备参数稳定后，可读取第一组实验数据。3.保持加热功率不变，巡检仪上各温度显示基本稳定后，再将风机频率由0~50Hz定值递增。每改变一次待稳定后可测一组数据。试验时对每一种排列的管子，空气流速可调整5个工况以上，都必须保持加热功率不变。温度的高低应根据管子排列不同及风速大小适当调整，保持管壁与空气来流由适当的温差即可。4.同时观察毕托管测速风压显示。调压，调频应配合调整直到系统稳定并便于读取温度，风压，直流电源，直流电压值4四．实验数据计算方法流体横掠管束时的平均对流传热系数可按下式计算：Nuf=cRemPrn（Prf/Prw）k（S1/S2）pCϕCz（1-1）式中：下脚标1.F表示定性温度，按来流温度计算。空气来流温度用水银温度计测量。2.Pr普朗特数，上式适用于0.7＜pr500。3.S1横向节距，m。4.S2纵向节距，m。5.Re以流体的平均温度下管间的最大流速计算雷诺数。6.Re=Uf，maxd/ѵ，其中u为流体的平均温度下管间最大流速，m/s。7.d0为管子外径，m。8.C，m，n，k，p系数和指数。9.Cz管排修正系数。10.CØ流体斜向冲刷管束时的修正系数11.Uf，max的计算比较麻烦，如已知未进入管束时的流体速度u0，则在流体入口温度下的最大流速为：顺排时：Umax=U0S1/（S1—d0）差排时：Umax为U0S1/（S1—d0）和U0S1/2（S2—d0）中的最大者，其中S2=2*24/1*1SSSS。以叉排试件为例：采用十八根紫铜管排列，可先算出一根的换热系数，管直径D=10mm，管长为120mm。1.空气来流速度UU=5其中：ΔP为毕托管测得空气的动压，Paρ为空气密度2.管壁温度t由铜-康铜热电偶测得的热电势E（t1,tf），可按附录A确定内壁温度t1。实验中，由装在内壁的热电偶测量温度，直接由巡检仪读出。由于试验管为内有内热源的圆筒形壁，切内壁绝热，因此，内壁温度t1大于外壁温度tw（根据关内温度可以计算出外壁温度tw），由于所用管壁很薄，仅0.2-0.3mm，切空气对外管的换热系数很小，可近似认为tw=t1。3.加载试验管两端的电功率由控制面板上的功率表显示。显示功率为总加热功率，每一根加热管功率Q可由总功率除以加热管根数获得。4.气流过管外壁时的平均换热系数α=Q/（A（tw-tf））W/（m·℃）其中：A为试验管外表面积5.换热准则方程式将甲酸得到的某一流速下的每一根加热管的对流传热系数求和，再除以总根数，可得到管排的平均对流传热系数。十八根管子的平均换热系数：α=∑根据每一试验工况所测得的值，可计算出相应的Nu和Re值。在双对数坐标纸上，以Nu为纵轴，Re为横轴，将各工况点标出，他们的规律可近似地用一直线表示：即IgNu=α+IgRe则Nu和Re之间的关系可近似的表示为一指数方程的形似：6其中α=IgC如果用X=IgRe，y=IgNu，则可表示成y=α+mx根据最小二乘法于艳丽，系数α及m可按下式计算：a=(∑xy∑x-∑y∑x2)/((∑x)2-n∑x2)m=(∑x∑y-n∑xy)/((∑x)2-n∑x2)其中：n为试验点的数目Xy=（IgRe）（IgNu）在计算Nu及Re所用到的空气物性参数λ，v，以来流温度为定性温度，查有关表格。五．试验结果分析5.1试验结果处理步骤（以50pa动压顺排方式为例）1.计算空气来流速度通过皮托管测量动压间接测量出来流速度，其关系换算式如下：u2=2*9.81*ΔP/ρ。由测量数据：ρ=1.2176Kg/m³，初压p=15pa，动压p=50pa，ΔP=35pa，代入上式，得来流速度u0=23.75m/s。2.计算Uf，max。由之前说明，可知，此组数据为顺排，计算公式应该如下：Uf，max=U0S1/（S1—d0），S1=20mm，s2=20mm，d0=10mm，代入数据Uf，max=47.5m/s73.计算雷诺数雷诺数的计算公式Re=Uf，maxd/ѵ，d为10mm，u=23.75m/s，初温17℃运动粘度v=0.00001416代入计算可知，Re=33545.204.初步得出关联式（得出C，m，n，k）由书上查表可知，计算出来的雷诺数属于（10^3，2*10^5）,即使用公式6-31c，参考公式1-1，可知，c=0.27，m=0.63，n=0.36，k=0.25，即Nuf=0.27Re0.63Pr0.36（Prf/Prw）0.25（S1/S2）pCϕ已知S1/S2=1管排修正系数Cϕ=0.910最后可得，50pa动压顺排方式努谢尔数为146.21，其余计算结果见附表一。5.1来流速度对换热系数的影响试验结果分析在保证管束排列方式（差排以及顺排）一定的情况下，室温保持17℃，加热功率为110w，定值增加风机的频率，探究来流速度对换热系数的影响并作出了图表如下：8由以上两幅图可以看出管束叉排时，当加热功率Q保持不变，换热系数hx随着风压P的增大而增大。管束顺排时，当加热功率Q保持不变，换热系数hx随着风压P的增大而增大。两图中五条曲线除个别误差比较大的数据以外基本保持平行，说明无论是顺排还是叉排，Q不变时，P不会影响换热系数在管束中的改变趋势。95.2管束排列方式对换热系数的影响验结果分析在室温17℃，热功率为110w的参数环境下，取5个不同动压参数下，分别试验得到不同管束排列方式下换热系数，探究管束排列方式对换热系数的影响并做出了图表如下。1011由以上五个图可以看出，除了第三个测点处圆管以外，在相同工况的条件下，叉排管束的换热系数比顺排的高，说明叉排的换热效果比顺排的好，原因可能是由于换热管束的约束，叉排热交换器管后漩涡比顺排热交换器后涡旋大很多，所以叉排换热器的换热能力高于顺排换热器。而且由表格数据可以知道在不同风压下h顺排平均＞h叉排平均都是成立的，由此可以再次证实叉排比顺排的换热能力更强。通过比较空气在叉排管束和顺排管束中的最大速度可以看出，风压P和单管功率Q相同时，V顺排＞V叉排，所以说，空气横掠叉排管束时阻力比较大。因此，在高速度的空气特别是固液、气固两相流体冲刷时可能会对管束造成损害，影响传热效率与安全因素。一般来说，换热器的管束排列形式一般都是叉排，顺排非常少见。由于顺排形式的套片式换热器通常比叉排的流动阻力更小，因而对一些流动阻力有限制的场合，可以考虑使用顺排形式的套片式换热器六.实验优缺点分析该实验在相似原理(在极大程度上降低了实验重复的次数）的指导之下，结合控制变量法研究了通入空气的流速（通过风压进行控制）对换热系数的影响，并且科学的对管束的不同排列方式——叉排与顺排换热情况进行比较，所得到的实验结果与理论结论具有高度吻合性。不过由于实验时间的限制，并未通过调节加热功率来研究其对对流换热系数的影响。同时，该实验在进行过程当中，也存在以下几点误差项：①测量系统本身存在固有的误差②整个实验的控制系统难以达到绝对的热稳态③确定空气物性参数的特征温度若取（tf+tw）/2，会使数据处理结果准确度略高一点。