实验4水平管外自然对流传热实验 [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： 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 中.=Φ-D,=hAn-t) (4-1) 式中D。一一自然对流传热热量，W: D一一电加热产生的总热量，W: 中，一—辐射传热热量，W: h一一自然对流表面传热系数，W/m2.K): A一一圆管表面积，A=mL,m2: d一一圆管外径，m: L一一圆管长度，m t一一圆管表面平均温度，·C: 4,一一环境空气温度，·C。 电加热总热量为 Φ=UⅡ (4-2) 式中U一一加热电压，V: I一一加热电流，A。 辐射传热热量为 -c- (4-3) 式中6一一圆管表面黑度：
实验 4 水平管外自然对流传热实验 [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 h ； 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 w f = − = hA t − t （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 (m K) 2 ； A ——圆管表面积， A = dL， 2 m ； d ——圆管外径， m ； L ——圆管长度， m ； w t ——圆管表面平均温度， C o ； f t ——环境空气温度， C o 。 电加热总热量为 = UI （4-2） 式中 U ——加热电压， V ； I ——加热电流， A 。 辐射传热热量为 − = 4 4 0 100 100 w f r T T C A （4-3） 式中 ——圆管表面黑度；
C。一黑体辐射系数，C。=5.67W/m2.K): T。一一圆管表面平均温度，K T,一环境空气温度，K。 因此，自然对流传热的表面传热系数为 1 h=衣.-)或.-八 -a门 (4-4 当实验系统达到稳定状态时，若测得圆管壁温1。、空气温度1，、加热电流I、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h。 根据相似原理，自然对流传热的实验关联式可表示为 Nu=c(Gr Pr)" (4-5) 式中c、n 一通过实验所确定的常数。其中各准则数：努塞尔Nu、格拉晓夫数Gr 普朗特数Pr的定义分别为 Nu=hd Gr=gdaM v? Pr=v (4-6) a 式中2一空气的导热系数，W/(mK) g一重力加速度，m/s2: a-一空气的体胀系数，a=1/T,1/K: T一一空气的定性温度，T=1m+273,K: 【。一空气的定性温度，1，=，‘℃ 2 1一一圆管表面与空气之间的温差，C:
C0 ——黑体辐射系数， ( ) 2 4 C0 = 5.67W m K ； Tw ——圆管表面平均温度， K ； Tf ——环境空气温度， K 。 因此，自然对流传热的表面传热系数为 ( ) ( ) − − − = − = 4 4 0 100 100 1 w f w f w f c T T UI C dL A t t dL t t h （4-4） 当实验系统达到稳定状态时，若测得圆管壁温 w t 、空气温度 f t 、加热电流 I 、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 h。 根据相似原理，自然对流传热的实验关联式可表示为 ( ) n Nu = c Gr Pr （4-5） 式中 c、 n——通过实验所确定的常数。其中各准则数：努塞尔 Nu 、格拉晓夫数 Gr 、 普朗特数 Pr 的定义分别为 hd Nu = ， 2 3 Δ gd t Gr V = ， a Pr = （4-6） 式中 ——空气的导热系数， W (mK) ； g ——重力加速度， 2 m s ； V ——空气的体胀系数， V = 1 T ，1 K ； T ——空气的定性温度， T = tm + 273 ，K ； m t ——空气的定性温度， 2 w f m t t t + = ， C o ； Δt ——圆管表面与空气之间的温差， C o ；
V一一空气的运动粘度，m2s: a一一空气的热扩散率，m2⅓。 需要注意的是：常温下，空气的普朗特数变化不大，可取常数P=0.7。空气的物 性参数由定性温度确定，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、n。为此，对实验关联式取对数，可得 lgNu lgc+nlg(Gr Pr) (4-7) 在坐标纸上，以g(GrPr)为横坐标，lgNu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n值，而截距为gC。 实验常数c也可以通过在实验直线上任取一点(g(GrPr),gN),可得(GrPr)和 Nu值，由下式计算常数c Nu c= (4-8) (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。 9 10 图4-1实验圆管结构示意图 1.加热导线2.保护盖3.接线柱4.绝缘法兰5.园定螺栓6。导热介质如注膨胀孔 .实验圆管8导热介质管腔9.如热器10，热电
——空气的运动粘度，m s 2 ； a——空气的热扩散率， m s 2 。 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 = 0.7 。空气的物 性参数由定性温度 m t 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、 n。为此，对实验关联式取对数，可得 lgNu = lgc + nlg(Gr Pr) （4-7） 在坐标纸上，以 lg(Gr Pr) 为横坐标， lgNu 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 n 值，而截距为 lgc 。 实验常数 c 也可以通过在实验直线上任取一点 (lg(Gr Pr),lgNu) ，可得 (Gr Pr) 和 Nu 值，由下式计算常数 c ( ) n Gr Pr Nu c = （4-8） [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。 图 4-1 实验圆管结构示意图 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 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9
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。 遥检仪 加热电流组 如热电压组 采集转换开关 如热电器 温控仪表 热电子 D管电压 计算机接工 加热开关 电源 加热调节组 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 示。 1 2345678 管 管 加 加 参 壁 壁 壁 热 热 ⑧ 温 温 温 器 度 度 电 电
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。 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 示。 1 2 3 4 5 6 7 8 室 内 温 度 管 壁 温 度 管 壁 温 度 管 壁 温 度 管 壁 温 度 加 热 器 电 加 热 器 电 预 留 B 采集转换开关 巡检仪 温控仪表 加热开关组 加热调节组 加热电流组 加热电压组 计算机接口 A 管电流表 A 管电压表 B 管电流表 B 管电压表 C 管电压表 D 管电压表 C 管电流表 D 管电流表 巡检仪 温控仪 总电源 微机接口 A 管 加热 B 管 加热 C 管 加热 D 管 加热 V V V V A A A A A 管 A B 管 C 管 D 管 C D 加热电源 端子组 热电偶接线 端子组 A 管 开关 B 管 开关 C 管 开关 D 管 开关
2 34 流压 图4-3巡检仪通道设量 [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， 相殊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1800nmm×75mm 表面黑度6=0.11 实验圆管B管：尺寸1600mm×63mm 表面黑度62=0.15： 实验圆管C管：尺寸1200mm×中38mm 表面黑度6，=0.15： 实验圆管D管：尺寸1000mm×25mm 表面黑度64=0.15： 空气的普朗特数：Pr=0.7: 重力加速度：8=9.8m/s2
1 2 3 4 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 1800mm Φ75mm ， 表面黑度 1 = 0.11 ； 实验圆管 B 管：尺寸 1600mm Φ63mm ， 表面黑度 2 = 0.15 ； 实验圆管 C 管：尺寸 1200mm Φ38mm ， 表面黑度 3 = 0.15 ； 实验圆管 D 管：尺寸 1000mm Φ25mm ， 表面黑度 4 = 0.15 ； 空气的普朗特数： Pr = 0.7 ； 重力加速度： 2 g = 9.8m s
2.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 测量物理显 A管 B管 c管 D管 加热电医U(W) 加热电流1（4) 1点壁温6（c 2点壁温5个c) 3点壁温1（C) 4点壁温女（c) 平均温1。（C) 空气温度，（C) 定性温度1。（c) 表面传热系数h(w/m2.K》 特征数Nu 特征数(GrPr)
2.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 测量物理量 A 管 B 管 C 管 D 管 加热电压 U (V) 加热电流 I (A) 1 点壁温 1 t ( C) o 2 点壁温 2 t ( C) o 3 点壁温 3 t ( C) o 4 点壁温 4 t ( C) o 平均壁温 w t ( C) o 空气温度 f t ( C) o 定性温度 m t ( C) o 表面传热系数 h (W (m K)) 2 特征数 Nu 特征数 (Gr Pr)
对数值g(Nd 对数值g(GrPr) [注意事项] 1.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温粉仪沿定温度不可超过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110V B管加热电压最高不超过100V: C管加热电压最高不超过90V D管加热电压最高不超过80V。 [数据处理] 1.温度的计算 平均壁温： t.-+6+5+（c) (4-9) 4 式中t、t2、13、t4一一同一圆管不同位置上的温度，·C。 定性温度： 业g (4-10) 式中t,一一空气温度，C。 圆管壁面与空气之间的温差： M=1.-t,（C (4-11) 2.特征数的计算 根据定性温度1m,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：
对数值 lg(Nu) 对数值 lg(Gr Pr) [注意事项] 1.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 120 C o 。 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 110V ； B 管加热电压最高不超过 100V ； C 管加热电压最高不超过 90V ； D 管加热电压最高不超过 80V 。 [数据处理] 1.温度的计算 平均壁温： 4 1 2 3 4 t t t t tw + + + = ( C) o （4-9） 式中 1 t 、 2 t 、 3 t 、 4 t ——同一圆管不同位置上的温度， C o 。 定性温度： 2 w f m t t t + = ( C) o （4-10） 式中 f t ——空气温度， C o 。 圆管壁面与空气之间的温差： w f Δt = t − t ( C) o （4-11） 2.特征数的计算 根据定性温度 m t ，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：
1 u-c.(m- (4-12 式中d一一圆管外径，m: L一一圆管长度，m U一一加热电压，V: I一一加热电流，A: 8一一圆管表面黑度： C。一黑体辐射系数，C。=5.67W/八m2.K)月 T。一一圆管表面平均温度，K: T,一一环境空气温度，K。 努塞尔数： Nu=hd (4-13) 式中一一空气的导热系数，W/mK) 格拉晓夫数： Gr-8ddA (4-14 式中g一一重力加速度，m/s2: av一一空气的体胀系数，a=1/T,1/K: T一一空气的定性温度，T=tm+273,K: v一一空气的运动粘度，m2/s 3.实验关联式的计算 以g(GrPr)为横坐标，gNu为纵坐标在坐标纸上描点，画出一条实验直线
( ) − − − = 4 4 0 100 100 1 w f w f T T UI C dL dL t t h （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 ； ——圆管表面黑度； C0 ——黑体辐射系数， ( ) 2 4 C0 = 5.67W m K ； Tw ——圆管表面平均温度， K ； Tf ——环境空气温度， K 。 努塞尔数： hd Nu = （4-13） 式中 ——空气的导热系数， W (mK)。 格拉晓夫数： 2 3 Δ gd t Gr V = （4-14） 式中 g ——重力加速度， 2 m s ； V ——空气的体胀系数， V = 1 T ，1 K ； T ——空气的定性温度， T = tm + 273 ，K ； ——空气的运动粘度， m s 2 。 3.实验关联式的计算 以 lg(Gr Pr) 为横坐标， lgNu 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n。截距 为gc,可计算出实验常数c。 也可以在实验直线上任取一点(g(GrPr),gNa),可得(GrPr)和Nu值，由下 式计算常数c: Nu c=(Gr PrY (4-15) 最后，写出自然对流传热的实验关联式： Nu=c(Gr Pr)" (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
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 n。截距 为 lgc ，可计算出实验常数 c 。 也可以在实验直线上任取一点 (lg(Gr Pr),lgNu) ，可得 (Gr Pr) 和 Nu 值，由下 式计算常数 c： ( ) n Gr Pr Nu c = （4-15） 最后，写出自然对流传热的实验关联式： ( ) n Nu = c Gr Pr （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