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1、实验4水平管外自然对流传热实验I实验目的1 .了解空气沿水平管表面自然对流传热过程，学习其实验测试技术；2 .测定空气沿水平管表面自然对流传热时的表面传热系数A；3 .对空气沿水平管表面自然对流传热进行相似分析，整理出实验关联式。实验原理在不流动的空气中，水平放置不锈钢圆管。对圆管进行电加热，热量将以自然对流和辐射两种方式向空气传递，所以自然对流传热热量为总热量与辐射热量之差，即c=-r=hA(tw-tf)(4-1)式中C自然对流传热热量W；电加热产生的总热量，W：r辐射传热热量，W；h自然对流表面传热系数，W(m2);A圆管表面积，A=TidLm2：d圆管外径，m：L圆管长度，m；tw圆管表
2、面平均温度，C；tf环境空气温度，C。电加热总热量为=UI(4-2)式中U加热电压，V；I加热电流，Ao辐射传热热量为式中圆管表面黑度;C0一一黑体辐射系数，C0=5.67W(m2K4);TW一一圆管表面平均温度，K；Tf一一环境空气温度，Ko因此，自然对流传热的表面传热系数为=-r=Sui-C.JidLf-1(4-4)A(LO)如丸一。)(IooJlj当实验系统达到稳定状态时，若测得圆管壁温口、空气温度。、加热电流/、加热电压U,就可由式(4-4)计算得到自然对流表面传热系数人。根据相似原理，自然对流传热的实验关联式可表示为NU=C(GrPr)n(4-5)式中一一通过实验所确定的常数。其中各
3、准则数：努塞尔N、格拉晓夫数G，、普朗特数Pr的定义分别为NUl，Gr=吟竺,PrJ(4-6)V2a式中;L空气的导热系数，W(mK);g重力加速度，ms2；av空气的体胀系数，av=1/T,1/K；T空气的定性温度，T=J+273,K：tm空气的定性温度，J：M一一圆管表面与空气之间的温差，C；V空气的运动粘度，m2sa空气的热扩散率，m2s.需要注意的是：常温下，空气的普朗特数变化不大，可取常数Pr=O.7。空气的物性参数由定性温度却确定，可从教材附表的空气热物理性质表查取。实验中，改变工况，通过不同管径的圆管，可以得到多组数据，采用作图法求出实验关联式中的常数c、为此，对实验关联式取对数
4、，可得IgNU=IgC+lg(GrPr)(4-7)在坐标纸上，以Ig(Gra)为横坐标，IgN为纵坐标描点，可画出一条实验直线。求出实验直线的斜率和截距，斜率即为实验常数值，而截距为Igc。实验常数C也可以通过在实验直线上任取一点(lg(GrPrgNu)t可得(G/Pr)和N值，由下式计算常数。(4-8)Nu(GrPr,实验装置实验装置有四根不同管径的圆管，每根圆管的结构如图4-1所示。1.加热导线2.保护盖3.接线柱4.绝缘法兰5.固定螺栓6.导热介质加注膨胀孔7.实验圆管8.导热介质管腔9.加热器10.热电偶实验圆管内装有电加热器，可方便地调节圆管加热功率。为使圆管表面温度均匀，管内充满了
5、导热介质。圆管上设置有导热介质加注膨胀孔，即可用来加注导热介质，也用于导热介质受热膨胀时溢出圆管。圆管两端装有绝热保护盖，以防止热量沿轴向散失。在每根圆管管壁不同位置，嵌入了多个热电偶，可测出圆管表面的平均温度。圆管的几何尺寸由实验室提供。加热电流组巡检仪图4-2实验控制箱面板图4-2为实验控制箱操作面板示意图。实验控制箱内主要有电子调压器、继电器组等。为改变加热工况，设置了功率调节装置以改变加热功率，从而改变实验圆管表面温度。功率表测定电加热器的加热功率。温控表组控制对应实验圆管的最高温度，避免高温熔化热电偶节点的焊锡。巡检仪显示圆管不同点的温度，巡检仪通道设置如图4-3所不O1234567
6、8室管管管管加加预内壁壁壁壁执执J”、留温温温温温器器度度度度度电电1231流压图4-3巡检仪通道设置实验内容（一）仪器调整1 .按要求接好线路，将调压器输出电压调整为零。2 .经指导老师检查后接通电源，选择实验工况，分别调整各实验圆管调压器，对各个实验圆管加热。特别注意：加热电压不得超过各个管子的最高电压。3 .待实验圆管加热初步稳定时，开始观测各个实验圆管温度：选定一个实验圆管，相继按下数据采集转换开关，读取该实验圆管的温度值。4 .间隔10分钟左右观测一次实验数据，直到两次读取的数据接近为至，此时可认为实验装置达到了稳定状态。记录两次接近的数据，计算平均值，以此作为计算的依据。5 .记录
7、空气温度、各个实验圆管的加热电压和加热电流。6 .如果时间允许，选择另一个实验工况，重复上述步骤。7 .实验结束时，经指导老师同意，将加热功率调为零，再切断电源。（二）测量数据1 .实验相关数据实验圆管A管：尺寸180OmmX075mm,表面黑度%实验圆管B管：尺寸160OmmX063mm,表面黑度/=0.15；实验圆管C管：尺寸120OmmXG38mm,表面黑度/=0.15；实验圆管D管：尺寸IooOmmX025mm,表面黑度4=0.15；空气的普朗特数：Pr=0.7；重力加速度：g=9.8ms2O2 .实验数据记录实验时间：实验台编号：环境温度:环境湿度：表4-1一个实验工况数据记录测址物
8、理量A管B管C管D管加热电压U(V)加热电流/(A)1点壁温。()2点壁温G()3点壁温13()4点壁温L(C)平均壁温(c)空气温度O()定性温度乙()表面传热系数加(w(m2)特征数NU特征数(G/*Pr)对数值Ig(Ml)对数值Ig(GPr)注意事项L实验中关闭门窗，禁止人员在实验室中走动，避免空气对流对实验产生影响。2 .导热介质不可充装过满，防止导热介质加热膨胀，从加注口溢出。3 .温控仪设定温度不可超过120C。4 .各个实验圆管设定的最高加热电压为：A管加热电压最高不超过IlOV；B管加热电压最高不超过IoOV；C管加热电压最高不超过90V；D管加热电压最高不超过80Vo数据处理
9、1 .温度的计算平均壁温：LJ(OC)(4-9)式中。、G、h、G一一同一圆管不同位置上的温度，C。定性温度：()(4-10)式中O空气温度，C。圆管壁面与空气之间的温差：At=JTj()(4-11)2 .特征数的计算根据定性温度乙，在教材的附录中查取空气的物性参数。自然对流表面传热系数:(4-12)式中d圆管外径，m；L圆管长度，m:U加热电压，V；I加热电流，A；一一圆管表面黑度；C0黑体辐射系数，C0=5.67W(m2K4);Tw一一圆管表面平均温度，K；Tf环境空气温度，Ko努塞尔数：Nll=(4-13)式中4一一空气的导热系数，W(mK).格拉晓夫数：Gr=(4-14)v式中g重力加
10、速度，ms2；av空气的体胀系数，av=1/T,1/K；T空气的定性温度，T=J+273,K；V空气的运动粘度，m2s(3.实验关联式的计算以Ig(Gr尸r)为横坐标，IgN”为纵坐标在坐标纸上描点，画出一条实验直线。在实验直线上任取两点，计算该直线的斜率和截距，斜率即为实验常数。截距为Igc,可计算出实验常数c。也可以在实验直线上任取一点(Ig(Gra)JgM/),可得(GrPr)和N值，由下式计算常数c：(4-15)Nu(GrPry最后，写出自然对流传热的实验关联式:Nli=cprPr)(4-16)问题思考1 .室内空气流动会对实验产生什么影响？2 .怎样才能使实验圆管的边界条件成为常壁温(或近似的常壁温)？3 .观察实验圆管四周热电偶的设置位置，说明理由。
