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1、传 热 学实验指导书建筑环境与设备工程教研室实验一 强迫对流换热实验一、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换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、P r、 n) (1)、 oltooDPBDH/式中：N u=
2、为努谢尔特数；0hRe= = 为雷诺数；moDoGPr= = 为普朗特数；hCH、B 分别为翅片高度、厚度、和翅片间距；Pt、P l 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，u m、G m 为最窄流通截面处的空气流速（m/s）和质量流量（kg/m 2s） ， 且 Gm=um。 、 、 为气体的特性值。此外，换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，故其管外换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（R e、P r） （2）对于空气，P r 数可
3、看作常数，故Nu =f（R e） （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，管外换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换热系数，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：（5）)(woaoTLDnQh式中：Q 为总放热量， （W） ，n 为放热管子的根数，D 0 L 为一支管的光管换热面积（m 2）,Ta 为空
4、气平均温度（ ） ，T wo 为光管外壁温度（） ，此处， 的单位为（w/m 2） 。h4、如何测求翅片管束平均管外换热系数 是实验的关键。如果直接由式（5）来测求h，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h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换热热阻和换热系数。即（6）wiRhK1式中：K 为翅片管的传热系数，可由实验求出（7）)(TLDnQvo其中：Tv 代表管内流体的平均温度。是管内流体对管内壁的换热系数，可由已知的传热规律计算出来；R w 由管壁的导热ih公式计
5、算之。应当指出，当管内换热系数 时，管内热阻 将远远地小于管外热阻 ，这ihih1h1时， 的某些计算误差将不会明显地影响管外换热系数 的大小。ih5、为了保证 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i实验系统中，采用简易热管作为传热元件，将实验的翅片管，做成简易热管的冷凝段，即简易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，管内换热系数 可用努谢尔特层流膜层凝结原理公式进ih行计算，即：（8）31231)()48.ghi式中， （9） iDrnQ为单位冷凝宽度上的凝液量（kg/s,m）,其中，r 为汽化潜热（J
6、/kg） ，D i 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。园筒壁的导热热阻为（10）iowDRln21应当注意，式（6）中的各项热阻都是以光管外表面积基准的， =70w/(m.K)。w三、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。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.管簇后测压管 9.实验管段 10. 管簇前测压管 11.吸入管 12.支架 13. 加热元件 14.控制盘有机玻璃风洞由带整流隔
7、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300mm300mm。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简易热管，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。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Di Do H B Pt Pl nmm mm mm mm mm mm mm20 25.5 9.75 0.2 2.7 75 80 54 根简易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
8、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。简易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 E 型热电偶用以测量热管内冷凝段的蒸汽温度Tvo 电加热器热的箱体上，也安装一支热电偶，用以确定箱体的散热损失。热电偶的电动势也可由 UJ33a 型电位差计进行测量。空气流的进出口温度由数显表配热电偶测量，也可用 0.1的玻璃温度计进行测量，入口处安装一支，出口处可安装两支，以考虑出口截面上气流温度的不均匀性。空气流经翅片管束的压力降由斜倾式压差计
9、测量，管束前后的静压测孔都是 4 个，均布在前后测量段的壁面上。空气流的速度和流量由安装在测速收缩段上的毕托管和倾斜式压差计测量。四、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、将四排加热管上的接有热电偶的上盖拔出使其能够冒气即可。接通电加热器电源，将电功率控制在 23KW 之间，加热至四排加热管均有水蒸气冒出后，盖上接有热电偶的上盖。开动引风机。注意：（1）. 盖上接有热电偶的上盖时，不要让水蒸汽汤着手！（2）.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
10、据毕托管压差读值，可改变 67 个风速值，这样，就有 67 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，将测量的数值记录到先准备好的数据记录表格中。6、进行实验数据的计算和整理，将结果逐项记入数据整理表格中。在整理数据时，可以用手算程序，也可以用先安排好的计算机程序。7、对实验结果进行分析和讨论。应注意，当所有工况的测量结束以后，应先切断电加热器电源，待 10 分钟后，再关停引风机。五、实验数据整理数据的整理可按下述步骤进行：1、计算风速和风量通过便携式风速仪测量风机出口流速，再根据风机出口面积计算流量，如下式：风量：M a=u 测 F 测 测其中
11、：测量截面积 F 测 =0.3 0.3 m2，测量截面处的密度由出口空气温度 T2 确定。2、空气侧吸热量：Ql=Ma Cpa (Ta2-Ta1) （12）3、电加热器功率Q2=I V4、加热器箱体散热。因箱体温度很低，散热量小，可由自然对流计算Q3=hc F 测 (T- To) 此处，h c 为自然对流散热系数，可近似取 hc=5w/m2进行计算； T 箱体温度，T o 为环境温度，箱体尺寸为 210*255*305。5、计算热平衡误差（13）132)(Q6、计算翅片管束最窄流通截面处的流速和质量流速m/s窄FGumkg/m2s测7、计算 Re 数Re= moGD8、计算传热系数 （14）2
12、0/)(wTLnQKav9、计算管内凝结液膜放热系数由式（8）进行计算，对于以水为工质的热管，液膜物性值都是管内温度 Tv 的函数，因此，式（8）可简化为：（15）3/12)(67.9340256( ilvvl nDQTh10、计算管壁热阻，由式（10）计算。11、由式（6）计算管外放热系数12、计算 iuhDN13、将实验测试结果与理论计算及参考资料的数据作比较，并进行分析和讨论。测试记录数据整理序号空气质量流速雷诺数管断面流速空气吸热Q1加热Q2散热损失Q3热平衡误差传热误差传热系数管外放热系数Nu12345管内温度序号 规格电流电压计量温度出风口面积Tv1Tv2Tv3 Tv4风机出口流速
13、入口温度出口温度室内温度管壁温度1 横向 5 排纵向 3 排2 横向 5 排纵向 3 排3 横向 5 排纵向 3 排4 横向 5 排纵向 3 排5 横向 5 排纵向 3 排6 横向 5 排纵向 3 排6实验二 换热器综合实验一、 实验目的1、熟悉换热器性能的测试方法；2 、了解套管式换热器，螺旋板式换热器和列管式换热器的结构特点及其性能的差别；3、加深对顺流和逆流两种流动方式换热器换热能力差别的认识；二 实验装置实验装置简图如图 1 所示，本实验装置冷水可用阀门换向进行顺逆流实验；工作原理如图 2 所示。换热形式为热水冷水换热式。图 1 实验装置简图1、热水流量调节阀 2、热水螺旋板、套管、列
14、管启闭阀门组 3、热水流量计 4、换热器进口压力表 5、数显温度计 6、琴键转换开关 7、电压表 8、电流表 9、开关组 10、冷水出口压力计 11、冷水螺旋板、套管、列管启闭阀门组 12、逆顺流转换阀门组 13、冷水流量调节阀 图 2 换热器综合实验台原理图1、冷水泵 2、冷水箱 3、冷水浮子流量计 4、冷水顺逆流换向阀门组 5、列管式换热器 6、电加热水箱 7、热水浮子流量计 8、回水箱 9、热水泵 10、螺旋板式换热器 11、套管式换热器本实验台的热水加热采用电加热方式，冷热流体的进出口温度用数显温度计测量，可以通过琴键开关来切换测点。实验台参数如下：1、换热器换热面积F：（1）套管式换
15、热器具 0.45m2（2）螺旋板式换热器 0.65 m2（3）列管式换热器 1.05 m22、电加热器总功率：9.0KW。3、冷、热水泵：允许工作温度：80；额定流量：3m 3/h；扬程：12m；电机电压：220V；电机功率：370W 。4、转子流量计型号：型号：LZB-15 ； 流量：40-400 升/小时；允许温度范围：0-120 。三 实验操作1、实验前准备：（1） 熟悉实验装置及使用仪表的工作原理和性能；（2） 打开所要实验的换热器阀门，关闭其它阀门；（3） 按顺流（或逆流）方式调整冷水换向阀门的开或关；（4） 向冷-热水箱充水，禁止水泵无水运行（热水泵启动，加热才能供电）。2、实验操作：（1） 接通电源；启动热水泵（为了提高热水温升速度，可先不启动冷水泵） ，并调整好合适的流量；过十分钟后再启动冷水泵；（2） 调整温控仪，使其能使加热水温控制在 80
