空气横掠单圆管时自然对流换热实验空气横掠单圆管时自然对流换热实验 一、实验目的1•测定水平圆管加热时周围空气自然对流换热平均表面传热系数h2.根据 自然对流放热过程的相似分析，将实验数据整理成准则方程式 3. 通过实验加深 对相似理论基本内容的理解二、实验原理 根据相似理论，空气沿水平管外表面自然对流时，一般可以得到以下指数形式 的准则关系式:nNu二C(GrPr) (1)式中，Nu,努谢尔特准则：Nu=hD/, (2) Gr,格拉晓夫准则：32Gr=g,?tD/v (3) Pr，普朗特准则，是温度的函数C和n均为常数我们的 任务就是通过实验确定式中的这两个常数在准则式中，空气的导热系数,，运动 粘度v,以及普朗特准则数Pr可以根据实验管壁面温度t和环境空气温度t的平 均值t，查阅有关手册内插得到空气的容积膨胀wfm系数，取理想气体的膨胀系数，，=1/Tg是重力加速度，D是管子直径，?t 是远离管壁的m空气温度差，？t=t,t, t为空气温度，t为管外壁温关键的是对流换热表面 传热系数hwffw的确定由对流换热表面传热系数h的定义：h=Q/F？t (4) a式中，Q为水平管外表面与周围空气之间的对流换热量，水平管的外表面积 F=DL，L 为，a水平管的有效长度。
在气体中的对流换热，不可避免的会伴随有换热壁面与周围环境的辐射换热， 因此，则管的实际传出热量为对流换热和辐射换热量之和:,844Q=Q+Q二hF(t,t)+CF(T,T)X10 ,arwf0wf,,24 式中，为实验管外表面的黑 度，黑体辐射系数C=5.67W?m?K在这里，假定了环,0境温度即空气温度于是，水平管外表面对流换热表面传热系数就可以由下式 确定:,844h=[Q/F,C(T,T)X10]/ (t,t) (5) ,0wfwf由式(5),对给定外径为D和长度为L表面黑度，确定的水平实验管，只要测 量管的实际传出热量Q、管外壁温t、远离壁面约1米处空气的温度t、就可以确 定水平管外表面wf对流换热表面传热系数ho要确定式(1)中的C和n还要求实验的Nu-GrPr的数据足够多，GrPr变化范 围足够大三、实验系统实验系统主要由本体系统、电加热测量系统和测温系统三部分组成 1.本体 系统本体系统是长4. 6米，宽4. 1米，高5. 6米的封闭房间内的8根不同直径的实 验管(图1)实验管表面镀铬，外壁布置有若干测温热偶，内部装有电加热器 实验圆管水平架离地面不小于1.1米各实验管加热功率以及各种温度信号通过导 线传输到隔壁的控制室测量。
控制室设有四个实验台桌，每张实验台桌可以获取两 根实验管的数据在实验中，各实验管段已经接通电源加热，稳定加热时间不少于 6 小时实验本体系统已基本处于热稳定状态同学只需在控制室的各实验台面板上，即可测量出水平圆管空气 自然对流稳定换热时电加热器的功率和相关温度信息Tqs , 51$U 3i r1上荃耳必卫2号 1号图 1 实验管分布示意图2. 电加热器及其加热功率测量系统实验圆管内的电加热器是由铬铁电阻丝均匀绕在绝缘芯棒上而形成的为减小 管端面的热损失，各实验管两端均装有绝热端盖因此，在温度稳定条件下，电加 热器的输入电功率Q可以认为就是实验管向外散出的总的热流量为获得稳定的加热功率，各实验管采用直流稳压电源加热加热电流可通过测 量串联在加热线路内的标准电阻的电位差换算得到，各线路中串联标准电阻，阻值 大小见表 1电加热器两端电压可直接通过引线测得电加热联接示意图直接标示 在实验台的面板上加热器两端的电压和串联路中的标准电阻的电压降直接可 在面板上测量测量仪器是高精度万用表 HP34401A3. 测温系统温度的测量包括实验管周围空气温度的测量和实验管壁面温度的测量，均采用 铜-康铜热电偶，精密万用表HP34401A测量。
空气温度取离开实验管1米左右的下 方温度实验管壁面温度取自壁面不同部位温度的平均值在实验台的面板中，左 手侧的琴键及其下方的接线柱是温度测量系统的端口将精密万用表HP34401A的 表针和相应颜色的接线柱接通，按下琴键开关，即可测的相应热偶的热电势琴键 开关1是空气温度，紧接其后的琴键开关2, 3，……是管壁面温度每只实验管 根据长短不同，布置有不同数目的测温热偶具体热偶数参看表1 2 -各实验管编号，长度、直径，壁面黑度，壁面温度测量的热偶数目，加热线路 中串联的标准电阻阻值等，列在表1中表1. 各实验管编号，直径，长度，表面黑度，壁面温度热偶数目，串联标准电阻阻值 圆管序号 直径D(mm)长度L(mm)表面黑度，热偶个数n标准电阻R1 19.0 560 0.08 4 0.01 Q2 38.0 1190 0.08 6 0.01Q3 50.0 1430 0.08 7 0.01Q4 32.0 1200 0.08 6 0.01Q5 13.0 400 0.08 4 0.1Q6 15.8 500 0.08 4 0.01Q7 25.0 760 0.08 6 0.01Q8 86.4 2271 0.08 8 0.01Q四、实验要求与实验步骤1. 每两位同学一组，在一个实验台上完成两个实验管的对流换热实验的相关 数据测量。
2.检查精密万用表HP34401A的两根输出笔是否已经接好，其中红笔 接“ Hi ”口，黑色接“Lo ”口3.将高精度万用表HP34401A两根输出笔的测量端与“tw”两端对应接好，此 即圆管外表面的热电偶读数此时依次转换各热电偶开关并记录读数，再重复测量一遍4. 将惠普多功能仪表两根输出笔的测量端与“I”两端对应接好，此即标准电阻两 端的分压值U;将惠普多功能仪表两根输出笔的测量端与“V”两端对应接好，此即加 热器R两端的电压输出值U5. 两组数据测量完毕之后，计算出相应管的加热功率，管壁平均温度t,空气 温度t和对wf流换热表面传热系数h后，交送指导老师检查并签字6. 抄录其他三组的实验结果:管的编号，加热功率Q,平均温度t，空气温度t 和对流换wf热表面传热系数h，以便课后完成最终的实验报告五、数据整理1. 壁面平均温度t,空气温度t wf 壁面的平均温度近似地可以按算术平均计算为简便，可以先计算实验管的平均热电势，然后在温度-铜-康铜热电势专用数表上通过线性内插得到实验管的壁面 平均温度空气温度同样方法给出2. 管内电加热功率Q 电加热所产生的热流量为 Q,U，U/RR式中，U为直流稳压电源输出电压，U为标准电阻分压，R的大小如表1所示。
R3(对流换热表面传热系数h由式(5)确定3. 准则数及准则方程的确定定性温度取壁面和空气算术平均温度，t=(t+t)/2v,以及Pr直接由定性 温度，mwf在相应数表线性内插得到，Nu准则数和Gr准则数由式⑵和⑶计算确定结 合其他组所整理出来的相关数据，可得到8组Nu- GrPr数据然后以Nu数为纵坐标，以GrPr数为横坐标，将这两组数据影射到以10为底 的对数坐标图上，并对实验点进行线性拟合由于- 3 -lgNu=lgC+nlg(GrPr)因此，拟合得到的直线截距为lgC，直线的斜率为n由此即可计算出准则方 程式中的(lgC)常数 C=10 和 n六、实验报告要求及注意事项实验报告要求:1. 写出实验原理，整理出实验数据列表2. 给出对数坐标图上的各实验点，给出准则方程式中的常数C和n13. 将整理出来的准则式与有关参考书给出的水平圆管空气自然对流换热经验 准则方程式0.2547， Nu，0.48(GrPr)(10GrPr，10)0.18824Nu,0.85(GrPr)(10,GrPr,10)进行比较，给出必要分析4.分析实验 误差及其产生原因\ Y * ■、'八■，I [ / —r-. r *注意事项:5. 首先了解整个实验装置的各个部分，并熟悉仪表的使用方法，特别是控制 面板和高精度万用表HP34401A必须按照操作步骤使用，以免损坏仪器。
6. 为确保管壁温度不超过允许的范围，应该注意操作顺序实验结束时，应先关闭电源和高精度万用表HP34401A，然后切断各开关1 Holman, J. P., Heat transfer, Fifth Edition, McGraw-Hill , Inc.,1981- 4 -。