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1、2-13 具有对流换热条件的伸展体传热特性试验工程中有许多热量沿着细长突出物体传递的问题。它的基本特征是：某种细 长形状的物体，从某温度的基面伸向与其温度不同的流动介质中，热量从基面沿 着突出方向传递的同时，还通过表面与流体进行对流换热。因而沿突出物体的伸 展方向温度也相应地变化。本实验试测量一等截面的伸展体，在与流体间进行对流换热的条件下，沿伸 展体的温度变化。一、实验目的及要求通过实验和对实验数据的分析，使我们更深入地了解伸展体传热的特性，并 掌握求解具有对流换热条件的伸展体传热特性的方法。二、基本原理具有对流换热的等截面伸展体，当长度与横界面之比很大时其导热微分方程 式为：兰m 29=
2、0( 1 )dx 2式中： x 中空圆环柱状伸展体沿管长方向的坐标9 过余温度，9 = t t ；ft伸展体温度，忽略径向混差，近似看作x的函数；t 伸展体周围介质(空气)的温度，也是x的函数；fm 系数，m = 空气对壁面的换热系数（W/（m2oC）；u伸展体外周长，本实验中u =n d , d为伸展体管外径；00f 伸展体的横截面积，f =-（d 2 - d 2 ），d为伸展体管内径；4 0 1 1九一伸展体材料导热系数；伸展体内的温度分布规律，由边界条件和m值确定（试推导该方程）三、实验装置及测量系统本试验装置由风道、风机、试验元件、主付加热器、测温热电偶等组成。实验装置系统见图 2-1
3、3-1。图 2-13-1 伸展体传热特性实验装置及测量系统简图（实际装置与该图有出入）1.风机2.风道3.等截面伸展体4.主加热器5.测温热电偶6.附加热器7.热电偶拉杆及标尺8.热电偶冷端9.电位差计10.电压表11.风机变速开关12.调压变压器试件是一根紫铜管，放置在一风道中，有风机和风道造成空气均匀地横向流 过管子表面的对流换热条件。管子表面各处的换热系数基本上是相同的。管子两 端装有加热器，以维持两端处于所要求的温度状况。这样就构成了一个两端处于 某温度的、中间具有对流换热条件的等截面伸展体。管子两端的加热器，通过调压变压器来控制其功率，以达到控制两端温度的 目的。为了改变空气对管壁的
4、换热系数，风机的工作电压亦可相应地作调整，以改 变空气流过管子表面时的速度，从而改变换热系数。(实际实验装置风速不可调。)为了测量铜管沿管长的温度分布，在管内安装了可移动的热电偶测温头，其 冷端就放置在空气流中，采用的为铜康铜熱电偶。这样通过电位差计就可测出 其热电势，热电势反映了管子各截面的过余温度。其相应的位置坐标可由滑动块 在标尺上读出。试件的基本参数：管子外径：管子导热系数：九=398W/(mOC)of管子内径： d = 11mm管子长度： L = 200 mm1加热器工作电压：V = 090V四、实验要求解方程- m20 = 0 ；dx2截面积为f，外周长为u的等截面棒状体，其导热系
5、数为九，两端分别与相距L的两大平壁相连接，平壁保持定温t和t ，圆棒与空气接触，空气温度为tw1 w 2f(设t t t )，棒与空气的对流换热系数为a，见图2-13-2，求w1fw 2(1 )棒沿x方向的过余温度9 (x) = t-1分布式；f(2) 分析沿x方向，棒的温度分布曲线的可能形状。分析各参数：L、u、f、九、a、t、t 、t对过余温度分布的影响；w1 w 2f(3 )棒的最低温度截面的位置表达式(当0 v x L存在最低温度值时)；(4)棒两端由壁导入的热量Q及Q。12屯dE卜* *y2J图 213-2 过余温度求解示意图2计算直径为 25mm， 长为300mm的钢棒(九=50W
6、/COC)两端分别与平壁相连接。平壁保持定温t二200oC，t二150oC，钢棒向四周空气散热，空气温 w1w 2度为打=20oC，对流换热系数为a = 20W，(m2o C)。( 1)计算钢棒温度沿长度方向的分布；( 2)求棒的最低温度点的位置及其温度值，绘出该棒的温度分布曲线；(3) 求棒向空气的散热速率；(4) 分别求出壁面 1 和壁面2 对钢棒的导热量；(5) 在t为什么值时，壁面2为绝热面？并画出温度分布曲线。求每小时散入 w2空气的热量；以上两项要求在进行实验前完成。3实验要求( 1)测出一定条件下，导体内不同截面的过余温度值；(2) 用测得的不同x位置过余温度0数据求出实验条件下
7、的m值及值；(3) 根据实验条件求得的m值，用分析公式计算过余温度分布，过余温度最低 处的位置坐标值，并与实测结果比较。4.实验内容( 1)先调节管子两端的加热器，用调压变压器来控制其功率。使两端处于固定 的温度，此加热过程约需要30 分钟，直到电位差计上的示数稳定为止。(2 )将标尺依次置于x = 0mm,20mm,40mm,180mm处，测量上述10个点的过余温度0 ，实际得到的数据为电位差计上的读数( mV )，将其除以转换 因子0.04 mV;oC，即可转化为OC，每两个测量点之间大约需要3口5分钟 的稳定时间。( 3)实验结束后，先将调压变压器输出调到零，待试件降温至接近常温后再关 掉风机，以免损坏实验装置。五、实验报告及注意事项1.试验报告及其要求： 通过理论分析与实验实测，总结对具有对流换热表面的伸展体传热特性认 识。2.注意事项（1）调整加热器功率时须注意两端温度不要过高，以免烧坏测温部件。加热电 压一般取V 100伏为宜。（可取V二40V , V二80V。）12（ 2）实验结束后，先将调压变压器输出调到零，待试件降温至接近常温后再关 掉风机，以免损坏实验装置。数据记录2-13 具有对流换热条件的伸展体传热特性试验
