空气对流换热

教学实验2006对流换热实验目录1.空气横掠圆管换热实验台实验指导书…………………………………………12.翅片管束管外放热和阻力实验指导书…………………………………………63.空气横掠平板换热实验台实验指导书………………………………………174.小型气水换热器实验台实验指导书……………………………………………195.空气横掠可旋转圆管换热实验台实验指导书……………………………20-1-1.空气横掠圆管换热实验台实验指导书一、实验目的1,了解实验装置,熟悉空气流速及管壁温度的测量的方法,掌握测量仪器仪表的使用方法2,测定空气横掠单管平均表面传热系数,并将结果整理成准则关系式.3,掌握强制对流换热实验数据的处理及误差分析方法二、实验原理与实验装置根据对流换热的量纲分析,稳态强制对流换热规律可以用下列准则关系式来表示:经验表明上式可以表示成下列形式：(1)对于空气,当温度变化不大时,普朗特书Pr变化很小,可以作为常数处理.故(1)式可表示为（2）本实验的任务就是确定之值。因此就需要测定数中所包含的各个物理量。其中管径d为已知量，物性λ、,按定性温度查表确定.表面传热系数不能直接测出，必须通过测加热量,壁温及流体平均温度,根据(3)式来计算:（3）其中：电加热功率：单管外表面积试验装置结构及工作原理如图一所示：-2-VAA图1实验风洞系统简图1.风机支架2.风机3.风量调节手轮4.过渡管5.测压管6.测速段7.过渡管8.测压管9.实验管段10.测压管11.吸入管12.支架13.加热元件14.控制盘三、实验步骤1．将皮托管与差压传感器连接好、校正零点；连接热电偶，再将加热器、功率表以及调压变压器的线路连接好。经指导老师检查确认无误后，准备启动风机。2．在关闭风机出口挡板的条件下启动风机，让风机空载启动，然后根据需要开启出口挡板，调节风量。3．在调压变压器指针位于零位时，合电闸加热实验管，根据需要调整变压器，使其在某一热负荷下加热，并保持不变，使壁温达到稳定(壁温热电偶的温度在三分钟内保持读数不变，即可认为已达到稳定状态)后，开始记录热电偶温度、电功率、空气进出口温度。4．在一定热负荷下，通过调整风量来改变Re数的大小，因此保持调压变压器的输出电压不变，依次调节风机出口挡板，在各个不同的开度下测得其动压头，空气进、出口温度以及加热管的壁面温度，即为不同风速下，同一负荷时的实验数据。5．不同热负荷条件下的实验，仅需利用调压变压器改变电加热器功率，重复上述实验步骤即可。6．实验完毕后，先切断实验管加热电源，待实验管冷却后再关闭风机。四、实验数据的整理计算１，空气来流速度:-3-空气来流速度u用毕托管测量,根据伯努利方程,毕托管所测得的气流动压p与气流速度u的关系如下:为空气密度,由空气来流温度查表确定;所以空气来流速度为pu*2２，加热功率:加热功率Q可通过管子测量段加热的电压降和电流来计算３，空气来流温度及管子外表面温度的测量(1)空气来流温度用PT100热电偶测量，t。(2)确定实验管壁面温度也用PT100测量，。(3)空气离开加热管的温度用PT100热电偶测量，kt。本实验中主要测量管子前后上下四个表面的温度，然后求其平均值。由下式求得，)(414321tttttw实验管为一个有内热源的圆筒壁，而且内壁温度大于外壁温度。由于管壁很薄，而且铜的导热系数很高，可以忽略管壁导热热阻，内外温度相等。实验时，空气流速可调整4-5个工况，加热电流可根据管子的直径及风速大小适当调整，保证管壁与空气间有适当的温差。4.根据每次实验工况所测数据计算整理得出相应的Nu、Re的值，连同其它组的实验数据，在双对数坐标纸上，以Nu为纵坐标，Re为横坐标。将各个工况点标示出。它们的规律可以近似的用一条直线表示：则Nu、Re之间的关系可近似表示成幂函数形式：．根据实验数据用最小二乘法或作图方法得出上述关联式中的C和n的值。5.计算定性温度tm-4-对于空气横掠单管，)(21tttwm对于空气横掠管束，)(21fwmttt)(21kfttt6.Re数计算中的特征速度确定对于空气横掠单管，特征速度等于来流速度，即为pu*2而对于空气横掠管束，特征速度要按管束中最小界面处的平均流速。五、分析讨论在本实验中没有考虑加热管的热量损失，即没有考虑加热管的辐射换热热量损失和加热管与壁面两端导热的热损失。如果要考虑的话，可以用加热功率乘以一个热损失系数，0.8-1.0之间。或者进行精确的计算：电加热器所产生的总热量Q，除了以对流方式由管壁传给空气外，还有一部分是以辐射方式传出，因此，对流换热量Qc为Qc=Q—Qr=W—QrQr=εC0F44100100fTTw（3—3）式中Qr——辐射换热量,W；W——加热电功率,W；ε——试管表面黑度,为0.6~0.7；C0——绝对黑体辐射系数,C0=5.67[W／(m2•K4)]；Tw——管壁面的平均绝对温度,K；Tf——空气进出口的平均绝对温度,K；F——管表面积，m2。如果不考虑加热管的辐射与两端导热损失，而又想提高表面传热系数测定的精确度，我们有两个工作要做：(1)：为了减少辐射换热，可在换热管表面镀铬，这可使表面发射率下降到0.1-0.05。(2)：为了减少两端导热损失，在换热管穿过风洞壁面处应该用绝热材料隔开。-5-2.翅片管束管外放热和阻力实验指导书一、实验目的1．了解热工实验的基本方法和特点；2．学会翅片管束管外放热和阻力的实验研究方法；3．巩固和运用传热学课堂讲授的基本概念和基本知识；4．培养学生独立进行科研实验的能力。二、实验内容1．熟练实验原理和实验装置，学习正确使用测温度、测压差、测流速、测热量等仪表。2．正确安排实验，测取管外放热和阻力的有关实验数据。3．用威尔逊方法整理实验数据，求得管外放热系数的无因次关联式，同时，也将阻力数据整理成无因次关联式的形式。4．对实验设备，实验原理，实验方案和实验结果进行分析和讨论。三、实验原理1．翅片管是换热器中常用的一种传热元件，由于扩展了管外传热面积，故可使光管的传热热阻大大下降，特别适用于气体侧换热的场合。2．空气（气体）横向流过翅片管束时的对流放热系数除了与空气流速及物性有关以外，还与翅片管束的一系列几何因素有关，其无因次函数关系可表示如下：Nu=f(Re、Pr、、、、、、olotoooDPDPDBDDH/N)（1）式中：Nu=oD为Nusselt数；Re=moUD=moGD为Renolds数；Pr==C为Prandtl数；H、δ、B分别为翅片高度、厚度、和翅片间距；Pt、Pl为翅片管的横向管间距和纵向管间距；N为流动方向的管排数；Do为光管外径，Um、Gm为最窄流通截面处的空气流速（m/s）和质量流速。（kg/m2s）且Gm=Um•ρ-6-λ、ρ、μ、γ、α为气体的特性值。此外，放热系数还与管束的排列方式有关，有两种排列方式，顺排和叉排，由于在叉排管束中流体的紊流度较大，故其管外放热系数会高于顺流的情况。对于特定的翅片管束，其几何因素都是固定不变的，这时，式（1）可简化为：Nu=f（Re、Pr）（2）对于空气，Pr数可看作常数，故Nu=f（Re）（3）式（3）可表示成指数方程的形式Nu=CRen（4）式中，C、n为实验关联式的系数和指数。这一形式的公式只适用于特定几何条件下的管束，为了在实验公式中能反映翅片管和翅片管束的几何变量的影响，需要分别改变几何参数进行实验并对实验数据进行综合整理。3．对于翅片管，管外放热系数可以有不同的定义公式，可以以光管外表面为基准定义放热系数，也可以以翅片管外表面积为基准定义。为了研究方便，此处采用光管外表面积作为基准，即：()owoaQnDLTT（5）式中：Q为总放热量，（W），n为放热管子的根数，πD0L为一支管的光管换热面积（m2）,Ta为空气平均温度（℃），Two为光管外壁温度（℃），此处，α的单位为（w/m2•℃）。4．如何测求翅片管束平均管外放热系数α是实验的关键。如果直接由式（5）来测求α，势必要测量管壁平均温度Two，这是一件很困难的任务。采用一种工程上更通用的方法，即：威尔逊方法测求管外放热系数，这一方法的要点是先测求出传热系数，然后从传热阻中减去已知的各项热阻，即可间接地求出管外放热热阻和放热系数。即wiRK111（6）式中：K为翅片管的传热系数，可由实验求出)(TTLDnQKvo（7）-7-其中：Tv代表管内流体的平均温度。αi是管内流体对管内壁的放热系数，可由已知的传热规律计算出来；Rw由管壁的导热公式计算之。应当指出，当管内放热系数αiα时，管内热阻i1将远远地小于管外热阻1，这时，αi的某些计算误差将不会明显地影响管外放热系数α的大小。5．为了保证αi有足够大的数值，一般实验管内需采用蒸汽冷凝放热的换热方式。本实验系统中，采用热管作为传热元件，将实验的翅片管，做成热管的冷凝段，即热管内部的蒸汽在翅片管内冷凝，放出汽化潜热，透过管壁，传出翅片管外，这就保证了翅片管内的冷凝过程。这时，管内放热系数αi可用Nusselt层流膜层凝结原理公式进行计算，即：31231)()4(88.123gi（8）式中，iDrnQ（9）为单位冷凝宽度上的凝液量（/kgsm）,其中，r为汽化潜热（J/kg），Di为管子内径，式（8）中第2个括号中的物理量为凝液物性的阻合。圆筒壁的导热热阻为iowowDDDRlnm2℃/w（10）应当注意，式（6）中的各项热阻都是以光管外表面为基准的。铝237，钢46.4四、实验设备实验的翅片管束安装在一台低速风洞中——实验装置和测试仪表如图1所示。试验由有机玻璃风洞，加热管件、风机支架、测试仪表等六部分组成。有机玻璃风洞由带整流隔栅的入口段，整流丝网、平稳段、前测量段、工作段、后测量段、收缩段、测速段、扩压段等组成。工作段和前后测量段的内部横截面积为200mm×200mm。工作段的管束及固定管板可自由更换。试验管件由两部分组成；单纯翅片管和带翅片的试验热管，但外形尺寸是一样的采用顺排排列，翅片管束的几何特点如表1所示。-8-表1翅片管内径翅片管外径翅片高度翅片厚度翅片间距横向管间距纵向管间距管排数DiDoHδBPtPlNmmmmmmmmmmmmmm纵向152110.50.2348.448.454根试验热管组成一个横排，可以放在任何一排的位置上进行实验。一般放在第3排的位置上，因为实验数据表明，自第3排以后，各排的放热系数基本保持不变了。所以，这样测求的放热指数代表第3排及以后各排管的平均放热系数。试验热管的加热段由专门的电加热器进行加热，电加热器的电功率由电流、电压表进行测量。每一支热管的内部插入一支铜鏮铜热电偶用以测量热管内冷凝段的蒸汽温度Tvo，电加热的箱体上，也安装一支热电偶，用以确定箱体的散热损失。热电偶的电动势由巡检仪进行测量。VAA图1实验系统简图1.风机支架2.风机3.风量调节手轮4.过渡管5.测压管6.测速段7.过渡管8.测压管9.实验管段10.测压管11.吸入管12.支架13.加热元件14.控制盘空气流的进出口温度也安装一支热电偶，热电偶的电动势由巡检仪进行测量。空气流经翅片管束的压力降由倾斜式压力计测量，管束前后的静压侧孔都是4-9-个，均布在前后测量段的壁面上。空气的速度和流量由安装在收缩段上的毕托管和微压差传感器测量，由巡检仪进行采集数据。五、实验步骤1．熟悉实验原理，实验设备；2．调试检查测温、测速、测热等各仪表，使其处于良好工作状态；3．接通电加热器电源，将电功率控制在2~3KW之间，预热5~10分钟后，开动引风机，注意到引风机需在空载或很小的开度下启动；4．调整引风机的阀门，来控制实验工况的空气流速，一般，空气风速应从小到大逐渐增加，实验中，根据毕托管压差读值，可改变6~7个风速值，这样，就有6~7个实验工况；5．在每一个实验工况下，待确认设备处于稳定状态后，进行所有物理量的测量和记录，