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1、2006教学实验空气对流换热实验台指导书目录1.空气横掠圆管换热实验台实验指导书12.翅片管束管外放热和阻力实验指导书63.空气横掠平板换热实验台实验指导书 174. 小型气水换热器实验台实验指导书 195.空气横掠可旋转圆管换热实验台实验指导书201空气横掠圆管换热实验台实验指导书一、实验目的1, 了解实验装置，熟悉空气流速及管壁温度的测量的方法，掌握测量仪器仪表的使用方法2, 测定空气横掠单管平均表面传热系数，并将结果整理成准则关系式.3, 掌握强制对流换热实验数据的处理及误差分析方法二、实验原理与实验装置根据对流换热的量纲分析，稳态强制对流换热规律可以用下列准则关系式来表示:=hd经验表
2、明上式可以表示成下列形式：甩=（1）对于空气，当温度变化不大时，普朗特书Pr变化很小，可以作为常数处理.故式可表示为 M =（2）本实验的任务就是确定。川之值。因此就需要测定恥丘疥数中所包含的各个物理量。其中管径d为已知量，物性入、V，按定性温度查表确定表面传热系数沟不能直接测出, 必须通过测加热量，壁温及流体平均温度仔，根据 式来计算：k=QfA（iw-t；）W/（m2 K） （3）其中 ：电加热功率卫：单管外表面积试验装置结构及工作原理如图一所示:;:1;I1”日1I;1 i:;UUUUES EH HJ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.
3、测压管 6.测速段 7. 过渡管8.测压管 9.实验管段 10. 测压管 11.吸入管 12. 支架 13. 加热元件 14. 控制盘三、实验步骤1将皮托管与差压传感器连接好、校正零点；连接热电偶，再将加热器、功率表以 及调压变压器的线路连接好。经指导老师检查确认无误后，准备启动风机。2在关闭风机出口挡板的条件下启动风机，让风机空载启动，然后根据需要开启出 口挡板，调节风量。3在调压变压器指针位于零位时，合电闸加热实验管，根据需要调整变压器，使其 在某一热负荷下加热，并保持不变，使壁温达到稳定（壁温热电偶的温度在三分钟内保持 读数不变，即可认为已达到稳定状态）后，开始记录热电偶温度、电功率、空
4、气进出口温 度。4. 在一定热负荷下，通过调整风量来改变Re数的大小，因此保持调压变压器的输出 电压不变，依次调节风机出口挡板，在各个不同的开度下测得其动压头，空气进、出口温 度以及加热管的壁面温度，即为不同风速下，同一负荷时的实验数据。5不同热负荷条件下的实验，仅需利用调压变压器改变电加热器功率，重复上述实 验步骤即可。6实验完毕后，先切断实验管加热电源，待实验管冷却后再关闭风机。四、实验数据的整理计算1 ,空气来流速度：空气来流速度U用毕托管测量，根据伯努利方程，毕托管所测得的气流动压Ap与气流速度U的关系如下:P为空气密度，由空气来流温度查表确定; 所以空气来流速度为尹2 ,加热功率：加
5、热功率Q可通过管子测量段加热的电压降和电流来计算3,空气来流温度及管子外表面温度的测量(1) 空气来流温度用PT100热电偶测量，t。(2) 确定实验管壁面温度也用PT10 0测量，匚。(3) 空气离开加热管的温度用PT100热电偶测量，t。k本实验中主要测量管子前后上下四个表面的温度，然后求其平均值。由下式求得，t =(t +1 +1 +1 )w 41234实验管为一个有内热源的圆筒壁，而且内壁温度大于外壁温度。由于管壁很薄，而且 铜的导热系数很高，可以忽略管壁导热热阻，内外温度相等。实验时，空气流速可调整4-5 个工况，加热电流可根据管子的直径及风速大小适当调整，保证管壁与空气间有适当的温
6、 差。4. 根据每次实验工况所测数据计算整理得出相应的Nu、Re的值，连同其它组的实验数 据，在双对数坐标纸上，以Nu为纵坐标，Re为横坐标。将各个工况点标示出。它们的规律 可以近似的用一条直线表示：则Nu、Re之间的关系可近似表示成幕函数形式：盹= .根据实验数据用最小二乘法或 作图方法得出上述关联式中的C和n的值。5. 计算定性温度tm对于空气横掠单管，t = 2(t +1)m 2 w g对于空气横掠管束，t = 2(t +1)t = 2(t +1)m 2 w ff 28 k6. Re 数 计 算 中 的特 征 速度 确 定对于空气横掠单管，特征速度等于来流速度，即为U = ,；2*-Pp
7、而对于空气横掠管束， 特征速度要按管束中最小界面处的平均流速。五、分析讨论在本实验中没有考虑加热管的热量损失， 即没有考虑加热管的辐射换热热量损失和加热 管 与壁 面两端 导热 的热损失。如果 要考虑 的话，可以 用加热功率 乘以一个热 损失系数， 0.8-1.0 之间。或者进行精确的计算：电加热器所产生的总热量Q，除了以对流方式由管壁传给空气外，还有一部分是以辐 射方式传出，因此，对流换热量Qc为Qc = QQr = WQrQr33)式中 Qr辐射换热量，W ；W加热电功率，W ；8试管表面黑度，为0.60.7；C0绝对黑体辐射系数，C0=5.67W / (m2 K 4)；Tw管壁面的平均绝
8、对温度，K ；Tf 空气进出口的平均绝对温度， K ；F 管表面积， m2 。如果不考虑加热管的辐射与两端导热损失， 而又想提高表面传热系数测定的精确度 我们有两个工作要做：(1) ：为了 减少辐射换热， 可在换热管表面镀铬， 这可使表面发射率下降到0.1-0.05 。(2) ：为了减少两端导热损失， 在换热管穿过风洞壁面处应该用绝热材料隔开。2.翅片管束管外放热和阻力 实验指导书一 、 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 内 容 1
9、熟练实验原理和实验装置，学习正确使用测温度、测压差、测流速、测热 量等仪表。2正确安排实验，测取管外放热 和阻力的有关实验数 据。 3用威尔逊方法整理实验数据，求得管外放热系数的无因次关联式，同时， 也将阻力数据 整理成无因次关联式 的形式。4对实验设备，实验原理，实验 方案和实验结果进行 分析和讨论。三 、 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 。1）2空气（气体）横向流过翅片管 束时的对流放热系数 除了与空气流速及物性 有关以外，还与翅片管束的一系
10、列 几何因素有关，其无 因次函数关系可表示如下：H5 /BPP、 t1、N)DoDoDoDoDoNu=f(Re、Pr、式中：N = s 为 Nusselt 数； u YR=D Gom为 Renolds数；Pr= S = 为 Prandtl 数H、6、B分别为翅片高度、厚度、和翅片间距；Pt、Pl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；D。为光管外径，Um、Gm为最窄流通截面处的空气流速（m/s）和质量流速。 （kg/m 2s） 且 Gm=Um P入、P、口、Y、a为气体的特性值。此外，放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
11、，故其管外放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（Re、 Pr）（2）对于空气，Pr数可看作常数，故Nu =f（Re）（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， 管外放热系数可以有不同的定义公式， 可以以光管外表面为 基准定义放热系数，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
12、作为基准， 即：a =（ 5）n兀 D L（T -T ）o wo a式中：Q为总放热量，（W ）, n为放热管子的根数，n D0L为一支管的光管换热面积（m2） ,T为空气平均温度（C），T 为光管外壁温度（C），此处，a的单位为 awo（w/m 2c）。4.如何测求翅片管束平均管外放热系数a是实验的关键。如果直接由式（5）来测求a,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 wo上更通用的方法，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放热热阻和 放热系数。即6）式中：K为翅片管的传热系数，可
13、由实验求出其中：Tv代表管内流体的平均温度。ai是管内流体对管内壁的放热系数，可由已知的传热规律计算出来；Rw由管壁 iw 的导热公式计算之。应当指出，当管内放热系数a. a时，管内热阻将远远地小于管外热阻丄, aai这时，a：的某些计算误差将不会明显地影响管外放热系数a的大小。5.为了保证a：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。本实验系统中，采用热管作为传热元件，将实验的翅片管，做成热管的冷凝段 即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，管内放热系数a.可用Nusselt层流膜层凝结 原理公式进行 计算
14、， 即：a 二 1.88(4)-3(“卩2g乂( 8)i|Ll|Ll 2式中，r = Q(9)rn兀Di为单位冷凝宽度上的凝液量(kg / sm ),其中，r为汽化潜热(J/kg )，D.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。圆筒壁的导热热阻为DD10)=In m2 oc / w九 Dwi应当注意，式(6)中的各项热阻都是以光管外表面为基准的。 铝 237， 钢46.4四、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。有机玻璃风洞由带整流隔栅的入口段，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200mm X 200mm。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 夕卜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DiDoH8BPtPiN
