自然对流横管管外对流换热系数测试-

实验一自然对流横管管外对流换热系数测试一、实验目的1.了解空气沿横管表面自然对流换热系数的实验方法，巩固课堂上学过的知识；2.测定单管的自然对流换热系数；3.根据相似性分析，整理出准则方程式。二、实验原理对不锈钢水平圆管进行电加热后，热量是以对流和辐射两种方式散失到周围空气，因此横管的输入电功率等于对流换热与辐射换热量之和，即：r=[W]cIV+=()c[W]wfhAtt=−44r5.67[W]100100fwTTA=−故()4425.67[W/m]100100fwwfwfTTIVhttAtt=−−−－℃式中：Φc——对流换热量,W；Φr——辐射换热量，W；I——加热电流，A；V——加热电压，V；h——横管表面自然对流换热系数，W/m2·℃；A——圆管表面积，A=πdL，m2；tw——横管表面平均温度，℃；tf——室内空气温度，℃；ε——横管表面黑度。根据相似理论，对于自然对流换热，努谢尔特数Nu是格拉晓夫数Gr、普朗特数Pr的函数，即：()PrNufGr=上式一般可表示成幂函数的形式：()PrnNucGr=定性温度为流体与壁面的平均温度()12mwfttt=+，特征尺寸为管子内径。c、n是通过实验所确定的常数。Nu、Gr、Pr数的定义可参考讲义，空气的物性参数可据定性温度由物性参数表查出。改变工况（加热量），可求得一组准则数，把几组数据标在对数坐标纸上即可得到以Nu为纵坐标、以Gr、Pr为横坐标的一系列点，通过这些点用最小二乘法拟合一条直线，根据：()lglglgPrNucnGr=+即YAnX=+这条直线的斜率即为n，截距为c。三、实验装置及测量仪表实验装置如下图所示。1.加热导线2.接线柱3.绝热盖4.绝缘法兰5.实验横管6.加热管7.温度传感器8.管腔该装置共有四种类型实验横管，实验管内装有电加热器，两端装有绝热盖。计算中略去轴向热损失。实验管壁上沿轴向均匀嵌入四个热电偶，管壁温度tw为这四点温度的算术平均值。控制箱内有稳压器可稳定输入电压，使加入管的热量保持一定，并设置电压调节装置以改变加热电压从而改变实验管壁面温度。采用进口电流互感器及10位A/D测定点加热器的电压和电流，电加热功率可直接由控制箱面板上的功率表读出。四、实验步骤1.按电路图接好线路，经指导老师检查后接通电源；2.调节功率旋钮，设定好一组功率，对实验横管进行加热；3.当温度仪表上显示温度稳定不再变化后开始测横管表面温度，并记下数据；4.调节功率调节旋钮改变一组功率，重复步骤3；5.至少改变四次功率，对每根横管上的四个测温点测得四组表面温度值，取平均值，作为计算依据；6.测量空气温度并记录；7.经指导老师同意，将调压器调整回零位，切断电源。五、实验数据的整理1.已知数据：管径：d1=80mm，d2=60mm，d3=40mm，d4=20mm管长：L1=1500mm，L2=1300mm，L3=1100mm，L4=900mm黑度：ε1=0.11，ε2=ε3=ε4=0.152.记录数据按下表（参考）格式记录实验数据。实验数据记录表（示例）横管编号环境温度tf（℃）电功率（W）测温点1t1（℃）测温点2t2（℃）测温点3t3（℃）测温点4t4（℃）125.51453.859.660.353.92658.767.968.659.53181.293.795.881.33480.894.196.081.6225.52645.850.553.050.83648.455.959.656.04265.079.486.880.310471.787.496.288.9325.53146.646.146.846.88647.447.047.747.69655.254.555.655.510157.556.958.458.6425.55149.750.851.248.512654.355.856.053.019181.484.384.478.320492.996.696.489.63.根据实验数据求出对流换热系数h()4425.67[W/m]100100fwwfwfTTIVhttAtt=−−−－℃对于2号横管：𝑡𝑤=𝑡1+𝑡2+𝑡3+𝑡44；𝑡𝑓=25.5℃；ε2=0.15;A=πdL=π*0.06*1.3=0.245𝑚3当IV=26W时，𝑡𝑤=50℃，ℎ1=260.245∗（50−25.5）-5.67∗0.1550−25.5[(273.15+50100)4-(273.15+25.5100)4]=3.30当IV=36W时，𝑡𝑤=55℃,同理ℎ2=3.93当IV=42W时，𝑡𝑤=78℃，同理ℎ3=2.10当IV=104W时，𝑡𝑤=86℃,同理ℎ4=5.79横管编号电功率（W）横管平均温度tw定性温度tm对流换热系数h22650.0337.763.33654.9840.243.94277.8851.692.110486.0555.785.833146.5836.049.68647.4336.4627.49655.2040.3522.310157.8541.6821.545150.0537.7835.712654.7840.1475.119182.1053.8058.520493.8859.6951.54.由空气的物性参数表查出定性温度下空气的主要物性参数对于2号横管:𝑡𝑚1=37.76,λ=2.74*10−2𝑊𝑚∗℃,ν=16.74*10−6,Pr=0.7𝑡𝑚2=40.24,λ=2.76*10−2𝑊𝑚∗℃,ν=16.95*10−6,Pr=0.699𝑡𝑚3=51.68,λ=2.84*10−2𝑊𝑚∗℃,ν=18.13*10−6,Pr=0.698𝑡𝑚4=55.78,λ=2.87*10−2𝑊𝑚∗℃,ν=18.54*10−6,Pr=0.6975.用讲义中的标准公式（表2-3）计算对流换热系数h求出相对误差=hhh−ℎ′=𝜆𝐷*0.53*(𝐺𝑟∗𝑃𝑟)1/4;𝐺𝑟=𝛽𝑔𝑙3𝛥𝑡𝜈2,横管编号电功率（W）横管平均温度tw定性温度tm格拉晓夫数Gr对流换热系数h’相对误差ε22650.0337.765.80E+056.10.463654.9840.246.71E+056.40.384277.8851.691.01E+067.30.7110486.0555.781.10E+067.50.2333146.5836.041.52E+056.50.488647.4336.461.57E+056.63.189655.2040.352.00E+057.02.1710157.8541.682.14E+057.22.0045150.0537.782.15E+048.03.4612654.7840.142.47E+048.38.0019182.1053.803.92E+049.75.0220493.8859.694.36E+0410.14.086.整理准则方程根据测量数据得到准则数Nu、Gr，把对应的数据标在对数坐标上（可用软件拟合），几组数据可拟合出一条直线，根据斜率及截距求出()PrnNucGr=中的c、n值。横管编号电功率（W）横管平均温度tw定性温度tmrPrGuN22650.0337.764.05E+057.273654.9840.244.69E+058.604277.8851.697.03E+054.4510486.0555.787.66E+0512.1233146.5836.041.06E+0514.208647.4336.461.10E+0540.289655.2040.351.40E+0532.5110157.8541.681.49E+0531.2145150.0537.781.50E+0426.1812654.7840.141.73E+0454.6719182.1053.802.73E+0441.0220493.8859.693.03E+0435.56通过数据的计算和拟合发现，横管2的数据误差最小，但是依然有坏点故去除坏点后的拟合图为：所以440.780.78,lg3.5,3.1610,3.1610(Pr)nccNuGr−−==−==六、实验注意事项1.注意两组数据的一致性。如果相差过大，则应重新记录。2.调整横管加热功率时，应按照由小到大的次序进行。3.空气的物性参数采用线性插值法查表。七、实验报告要求1.至少4组实验数据记录；2.给出横管表面对流换热系数计算结果及误差；3.作出直线，写出准则方程；440.780.78,lg3.5,3.1610,3.1610(Pr)nccNuGr−−==−==4.实验误差分析。1.实验环境中的误差⚫实验环境不是密封的，自然环境中的风的流速一直在变化，以及人在横管旁边走动对温度测量一直有影响。⚫实验持续时间较长，每一次调整功率至少需要半个小时的加热时间，而此时环境中温度变化很明显在1K左右。2.仪器的误差（实验设备元器件随温度的变化而改变性能）3.读取数值的误差（主观因素的影响）4.实验计算方法的误差5.拟合数据的误差（最小二乘法）5.通过实验一，回答如下问题：①用铜-康铜热电偶测某一温度t，冷端在室温环境th中，测得热电动势(),1.979ABhEttmV=，又用室温计测出th=21℃，求此时对应的热端温度t。解：查此种热电偶的分度表可知，𝐸𝐴𝐵(21,0)=0.84mV，𝐸𝐴𝐵(t,0)=𝐸𝐴𝐵(t,𝑡ℎ)+𝐸𝐴𝐵(𝑡ℎ,𝑇0)=1.979+0.84=2.819mV再次查分度表，与2.819mV对应的热端温度t=69℃。②如何保证热电偶焊接质量？解：合格的焊接测量端应焊接牢固，呈球形，表面光滑且具有金属光泽，无气孔、杂质、裂纹等缺陷，如果发现测量端有缺陷就须剪去一段进行重新焊接。为了减小传热误差和动态响应误差，热电偶焊点的尺寸应该尽量小一些，通常为热电偶电极直径的两倍。附录:Matlab程序：%Phic=h*A*(tw-tf);%Phir=5.67*xi*A*((tw/100)^4-(tf/100)^4);%Phi=Phic+Phir;%beta体胀系数%l为特征尺寸clcclearallload('B1.mat');%B1为实验数据的矩阵形式B=B1';%对实验数据转置tw=mean(B);%横管温度每组数据的平均值，tf=25.5;%室内温度。xi=0.15;%黑度统一为0.15l=[1.5,1.5,1.5,1.5,1.3,1.3,1.3,1.3,1.1,1.1,1.1,1.1,0.9,0.9,0.9,0.9];de=[0.08,0.08,0.08,0.08,0.06,0.06,0.06,0.06,0.04,0.04,0.04,0.04,0.02,0.02,0.02,0.02];A=pi*de*l;%A=πdLPhi=[14,26,31,34,26,36,42,104,31,86,96,101,51,126,191,204];%电功率h=Phi./(A.*(tw-tf))-5.67.*xi.*(((273+tw)./100).^4-...-((273+tf)./100).^4)./(tw-tf);%基于实验数据的对流换热系数tm=(tw+tf)/2;%定性温度pr=pr(tm);%调用普朗特数求解函数lamda=lamda(tm);nu=nu(tm);beta=1./(273+tm);Gr=beta.*(9.8).*de.^3.*(tw-tf)./(nu.^2);%格拉晓夫数h1=lamda./de.*0.53.*(Gr.*pr).^(1/4);%基于课本计算过程的对流换热系数Delta=abs(h-h1)./h1;%相对误差X=Gr.*pr;Nu=h1.*de./lamda;x1=X(1,[5,6,8]);Nu1=Nu(1,[5,6,8]);m=log