实验8气一气热管换热器传热特性研究 [实验目的 1.熟悉热管换热器的工作原理和使用方法： 2.掌握气-气热管换热器传热量Φ和传热系数K的测量： 3.实验研究气-气热管换热器性能与风温、风速及热管倾斜角度等因素的关系。 [实验原理] 热管是20世纪60年代发展起来的具有特别高的 导热性能的传热元件。它的结构比较简单，图8-1 为其工作原理示意图。 管壳一般采用金属管，两端封死。在封死前先 Φ 将管内抽真空，灌入适量的工作液。热管从下向上， 冷段 依次分成三段，即蒸发段（又称热端）、绝热段、冷 凝段（又称冷瑞）。工作时，蒸发段的工作夜被管外 的热流体加热，吸收潜热蒸发，其蒸气经绝热段流 向冷凝段，工作液蒸气放出潜热，凝结为液体。蒸 气液化释放出来的潜热通过管壁传递给热管外面的 冷流体。积聚在冷凝段的凝结液，在重力的作用下 返回到蒸发段，再吸热蒸发。这样，通过工作液体 的不断蒸发、凝结，把热管下半部热流体的热量连 续地传递到热管上半部的冷流体中去。这种依靠重 力使冷凝液回流的热管称为重力热管。这时冷凝段 必须位于蒸发段之上。 气-气热管是指热管管外热流体和冷流体均为 气体，因气体传热时热阻较大，为强化其传热，在 图8-1重力热管示意图 热管的蒸发段和冷凝段外部安装了翅片。 在热管传热过程中，热管外部热流体在热端放热，热流量为 D1=4P,c,G-t9) (8-1) 式中g1一一热端空气体积流量，m3/s: P1一一热端进口空气密度，kg/m3:
实验 8 气—气热管换热器传热特性研究 [实验目的] 1.熟悉热管换热器的工作原理和使用方法； 2.掌握气-气热管换热器传热量 和传热系数 K 的测量； 3.实验研究气-气热管换热器性能与风温、风速及热管倾斜角度等因素的关系。 [实验原理] 热管是20世纪60年代发展起来的具有特别高的 导热性能的传热元件。它的结构比较简单，图 8-1 为其工作原理示意图。 管壳一般采用金属管，两端封死。在封死前先 将管内抽真空，灌入适量的工作液。热管从下向上， 依次分成三段，即蒸发段（又称热端）、绝热段、冷 凝段（又称冷端）。工作时，蒸发段的工作液被管外 的热流体加热，吸收潜热蒸发，其蒸气经绝热段流 向冷凝段，工作液蒸气放出潜热，凝结为液体。蒸 气液化释放出来的潜热通过管壁传递给热管外面的 冷流体。积聚在冷凝段的凝结液，在重力的作用下 返回到蒸发段，再吸热蒸发。这样，通过工作液体 的不断蒸发、凝结，把热管下半部热流体的热量连 续地传递到热管上半部的冷流体中去。这种依靠重 力使冷凝液回流的热管称为重力热管。这时冷凝段 必须位于蒸发段之上。 气-气热管是指热管管外热流体和冷流体均为 气体，因气体传热时热阻较大，为强化其传热，在 热管的蒸发段和冷凝段外部安装了翅片。 在热管传热过程中，热管外部热流体在热端放热，热流量为 ( ) 1 1 1 1 1 1 q c t t V = − （8-1） 式中 qV1 ——热端空气体积流量， m s 3 ； 1——热端进口空气密度， 3 kg m ； 1 2 冷 凝 段 绝 热 段 蒸 发 段 图 8-1 重力热管示意图
G一一热端空气平均比定压热容，J/kgK): 、”一一热端空气进、出口温度，C。 同时，热管外部冷流体在冷端吸热，热流量为 :=qv2p:c2(:-t) (8-2) 式中g2一一冷端空气体积流量，m3小： P2一一冷端进口空气密度，kg/m3: C2一一冷端空气平均比定压热容，J/kgK) 、5一一冷端空气进、出口温度，·C。 如果忽略散热损失，热管的传热量为 0=+ (8-3) 2 由传热方程，可得传热系数 K=- Φ (8-4) A,△t 式中A2一一冷端的传热面积（散热面积），A=0.736m2): △1一一热端与冷端的传热温差，·C。 4M=3+)-g+) (8-5) 2 为了得到热端和冷端的空气体积流量4，、9，需要分别测量热端和冷端的空气 流速片，、”2。应用毕托管装置，可测量空气的总压p与静压P之间的压差△p,由伯 努利方程计算流速。 对于热端空气，流速为
1 c ——热端空气平均比定压热容， J (kgK) ； 1 t、 1 t——热端空气进、出口温度， C o 。 同时，热管外部冷流体在冷端吸热，热流量为 ( ) 2 2 2 2 2 2 q c t t V = − （8-2） 式中 qV 2——冷端空气体积流量， m s 3 ； 2 ——冷端进口空气密度， 3 kg m ； 2 c ——冷端空气平均比定压热容， J (kgK) ； 2 t 、 2 t——冷端空气进、出口温度， C o 。 如果忽略散热损失，热管的传热量为 2 1 2 + = （8-3） 由传热方程，可得传热系数 A t K 2Δ = （8-4） 式中 A2——冷端的传热面积（散热面积）， ( ) 2 A2 = 0.736 m ； Δt ——热端与冷端的传热温差， C o 。 ( ) ( ) 2 Δ 1 1 2 2 t t t t t + − + = （8-5） 为了得到热端和冷端的空气体积流量 qV1 、qV 2 ，需要分别测量热端和冷端的空气 流速 1 v 、 2 v 。应用毕托管装置，可测量空气的总压 p 与静压 0 p 之间的压差 Δp ，由伯 努利方程计算流速。 对于热端空气，流速为
-520m-a0 .2p, (8-6) 式中P,、P。一一热端测速段空气的总压和静压，P: p,一一热端测速段空气的总压与静压压差，p,=P1一P1。,P 5—热端测速段皮托管压差修正系数，气=1.036： a1一一热端测速段皮托管流速修正系数，a1=√气=1.018。 热端空气体积流量为 41=y,S (8-7) 式中S一一测速段风道截面积，m2。 S=l (8-8) 式中D-一测速段风道内径，D=0.098m2。 对于冷端空气，流速为 6a (8-9) 式中P2、P如一一冷端测速段空气的总压和静压，P: △p2一一冷端测速段空气的总压与静压压差，p2=P2一P2a,P: 5,一一冷端测速段皮托管压差修正系数，52=1025： c2一一冷端测速段皮托管流速修正系数，a2=√52=1.012。 冷端空气体积流量为 42=2S (8-10) [实验装置]
( ) 1 1 1 1 1 10 1 1 2 2Δ p p p v = − = （8-6） 式中 1 p 、 p10 ——热端测速段空气的总压和静压， Pa ； Δp1 ——热端测速段空气的总压与静压压差， Δp1 = p1 − p10，Pa ； 1——热端测速段皮托管压差修正系数， 1 = 1.036 ； 1 ——热端测速段皮托管流速修正系数， 1 = 1 = 1.018。 热端空气体积流量为 qV1 = v1S （8-7） 式中 S ——测速段风道截面积， 2 m 。 2 4 1 S = D （8-8） 式中 D ——测速段风道内径， 2 D = 0.098m 。 对于冷端空气，流速为 ( ) 2 2 2 2 2 20 2 2 2 2Δ p p p v = − = （8-9） 式中 2 p 、 p20——冷端测速段空气的总压和静压， Pa ； Δp2——冷端测速段空气的总压与静压压差， Δp2 = p2 − p20 ，Pa ； 2 ——冷端测速段皮托管压差修正系数， 2 = 1.025 ； 2——冷端测速段皮托管流速修正系数， 2 = 2 = 1.012。 冷端空气体积流量为 qV 2 = v2S （8-10） [实验装置]
气-气热管实验台结构示意图，如图8-2所示。 2 13 图8-2气-气热管实验台结构示意图 1冷端风机2.冷端测温点3.老压传感器或差压测量装置4冷端空气测速毕托管五冷端空气通道 6,热端测温点7.热端风机8.电加热器组9.热端空气测速华托管10.差压传感器或差压测量装置 1山.热管组12.工作台旋转器13、仪表盘 实验台主要由翅片式（铝轧片管）热管换热器、电加热器组、冷热端风机、风量调 节阀门、测速毕托管、差压测量装置、数显式测温测压系统和工作台组成，结构特点为 (1)热端空气采用循环系统，系统升温快速，省电： (2)热风电加热系统无级调节，因而温度调节灵活、稳定 (3)采用数显式测温、测压系统，具有快速、准确、方便等特点： (4)实验台可绕支点向前旋转90°，除了可测量热管换热器热端及冷端的空气温度、 流速等参数与换热量的关系外，还可进行热管倾斜角度对热管传热性能影响的测量。 实验台采用Φ12mm的单根热管，其结构如图8-3所示。单根热管的几何尺寸为： 基管外径d=12mm,翅片外径D=27mm,基管厚度s=1.2mm 基管长度L1=338mm,翅片长度L2=330mm,翅片间距t=1.8mm
气-气热管实验台结构示意图，如图 8-2 所示。 图 8-2 气-气热管实验台结构示意图 1.冷端风机 2.冷端测温点 3.差压传感器或差压测量装置 4.冷端空气测速毕托管 5.冷端空气通道 6.热端测温点 7.热端风机 8.电加热器组 9.热端空气测速毕托管 10. 差压传感器或差压测量装置 11.热管组 12. 工作台旋转器 13、仪表盘 实验台主要由翅片式（铝轧片管）热管换热器、电加热器组、冷热端风机、风量调 节阀门、测速毕托管、差压测量装置、数显式测温测压系统和工作台组成，结构特点为 （1）热端空气采用循环系统，系统升温快速，省电； （2）热风电加热系统无级调节，因而温度调节灵活、稳定； （3）采用数显式测温、测压系统，具有快速、准确、方便等特点； （4）实验台可绕支点向前旋转 o 90 ，除了可测量热管换热器热端及冷端的空气温度、 流速等参数与换热量的关系外，还可进行热管倾斜角度对热管传热性能影响的测量。 实验台采用 12mm 的单根热管，其结构如图 8-3 所示。单根热管的几何尺寸为： 基管外径 d = 12mm ，翅片外径 D = 27mm ，基管厚度 s = 1.2mm ， 基管长度 L1 = 338mm ，翅片长度 L2 = 330mm ，翅片间距 t = 1.8mm ， 11 9 1 2 3 4 5 6 7 10 12 13 8
翅片厚度sn=0.3mm,翅片高度h,=7mm。 换热器由8根热管组成，沿竖向排成3列，排列方式为叉排。热端及冷端传热表面 积为41=A2=0.736m2。 图8-3气-气热管几何结构示意图 实验台巡检仪通道设置，如图8-4所示。 12345678 热 热 热 预 预 端 端 端 端 留 留 进 出 进 出 比 口 口 ◇ 托 的 温 的 的 管 度 ⑧ 动 动 压 压
翅片厚度 sn = 0.3mm ，翅片高度 hf = 7mm 。 换热器由 8 根热管组成，沿竖向排成 3 列，排列方式为叉排。热端及冷端传热表面 积为 2 A1 = A2 = 0.736m 。 图 8-3 气-气热管几何结构示意图 实验台巡检仪通道设置，如图 8-4 所示。 1 2 3 4 5 6 7 8 热 端 进 口 温 度 热 端 出 口 温 度 冷 端 进 口 温 度 冷 端 出 口 温 度 热 端 比 托 管 动 压 冷 端 比 托 管 动 压 预 留 预 留 d D s n s t f h
图8-4实验台巡检仪通道设置示意图 [实验内容] (一)仪器调整 1.转动热管工作台旋转器，将热管调到竖直位置，固定工作台。 2.将电源插头插在插座上并合上总电源开关，此时温度仪表显示温度。 3.开启热端风机开关，调节热端循环风量（利用风机进口处的风量调节板，改变其 面积来进行调节)。 4.全开三组电加热器（只有当热端风机开启后才能接通电加热器开关）。 5.按下琴键式热端进风温度开关键，观察热风温度，待温度达到（或接近）实验值 时，开启冷端风机开关，并利用其出风口处的调风阀改变其开口大小来调节冷端风量。 6.调节热端空气温度，使其趋近和达到稳定。热端进风温度是用电加热器开关的开 启数量（即接通电加热器的数量）和电加热器的调压旋钮来进行调节的。电加热器组分 三级(2kW、1kW、0~1kW)进行控制，其中一组可利用调压旋钮进行无级调节 (顺时针旋转为升压，反之为降压)。 注意：热管换热器工作温度（热风进口温度）为60~100°C,切勿超温使用，以 防损坏热管。 7.在第一个实验工况点稳定后即可测试。记录冷、热端差压测量装置显示的差压值 及各测点的空气温度值，记录工作每隔2~3分钟进行一次，取三次读数的平均值作为 该点工况的测试数据。 8.依次调整可调参数（整个实验将可调参数在调节范围内均匀地分成3~5个工况 点进行测试)，重复上述步骤，测定和记录其他工况点的数据。 9.实验结束后，首先断开电加热器开关，3分钟后关闭冷、热端风机，切断电源。 实验台可进行以下三种情形实验： (1)热管换热器垂直放置，固定冷、热端空气流量，改变热端空气进口温度。 (2)热管换热器垂直放置，固定热端空气进口温度，同步改变冷、热端空气流量 (亦可单独改变热端或冷端空气流量)。 (3)固定热端空气进口温度及冷、热端空气流量，改变热管换热器的倾斜角度。 热管换热器的倾斜角度可调，可向前方旋转0~90°，除0°和90°可直接卡在限位 挡板上外，其余角度均可利用换热器顶部的铁链挂在前部限位挡板上来进行调节。 (仁)测量数据 1.试验台主要参数 热管换热器热端、冷端传热面积：A,=4,=0,7362）片：
图 8-4 实验台巡检仪通道设置示意图 [实验内容] (一)仪器调整 1.转动热管工作台旋转器，将热管调到竖直位置，固定工作台。 2.将电源插头插在插座上并合上总电源开关，此时温度仪表显示温度。 3.开启热端风机开关，调节热端循环风量（利用风机进口处的风量调节板，改变其 面积来进行调节）。 4.全开三组电加热器（只有当热端风机开启后才能接通电加热器开关）。 5.按下琴键式热端进风温度开关键，观察热风温度，待温度达到（或接近）实验值 时，开启冷端风机开关，并利用其出风口处的调风阀改变其开口大小来调节冷端风量。 6.调节热端空气温度，使其趋近和达到稳定。热端进风温度是用电加热器开关的开 启数量（即接通电加热器的数量）和电加热器的调压旋钮来进行调节的。电加热器组分 三级（ 2kW、1kW、 0 ~ 1kW ）进行控制，其中一组可利用调压旋钮进行无级调节 （顺时针旋转为升压，反之为降压）。 注意：热管换热器工作温度（热风进口温度）为 60 ~ 100 C o ，切勿超温使用，以 防损坏热管。 7.在第一个实验工况点稳定后即可测试。记录冷、热端差压测量装置显示的差压值 及各测点的空气温度值，记录工作每隔 2 ~ 3 分钟进行一次，取三次读数的平均值作为 该点工况的测试数据。 8.依次调整可调参数（整个实验将可调参数在调节范围内均匀地分成 3 ~ 5 个工况 点进行测试），重复上述步骤，测定和记录其他工况点的数据。 9.实验结束后，首先断开电加热器开关， 3 分钟后关闭冷、热端风机，切断电源。 实验台可进行以下三种情形实验： （1）热管换热器垂直放置，固定冷、热端空气流量，改变热端空气进口温度。 （2）热管换热器垂直放置，固定热端空气进口温度，同步改变冷、热端空气流量 （亦可单独改变热端或冷端空气流量）。 （3）固定热端空气进口温度及冷、热端空气流量，改变热管换热器的倾斜角度。 热管换热器的倾斜角度可调，可向前方旋转 o 0 ~ 90 ，除 o 0 和 o 90 可直接卡在限位 挡板上外，其余角度均可利用换热器顶部的铁链挂在前部限位挡板上来进行调节。 (二)测量数据 1.试验台主要参数 热管换热器热端、冷端传热面积： ( ) 2 A1 = A2 = 0.736 m ；
测速段风道内径：D=Q.098(m): 热端测速段皮托管流速修正系数：a%,=1.018 冷端测速段皮托管流速修正系数，a2=1.012。 2.实验数据记录 表8-1改变一个可调参数时的数据记录改变的可调参数 测量物理量 工况1 工况2 工况3 工况4 工况5 可调参数取值 热空气进口温度((（C) 热瑞空气出口温度？（C 冷端空气进口温度；（C) 冷空气由口温度（ 热端空气测量压差p1(Pa) 冷端空气测量压差p2(Pa) 热端空气流速y,(m/S 冷端空气流速y2(m/S) 热嘴空气体积流量9，(m3) 冷端空气体积流量g2(m3)
测速段风道内径： D = 0.098(m) ； 热端测速段皮托管流速修正系数： 1 = 1.018 ； 冷端测速段皮托管流速修正系数， 2 = 1.012。 2.实验数据记录 表 8-1 改变一个可调参数时的数据记录 改变的可调参数 测量物理量 工况 1 工况 2 工况 3 工况 4 工况 5 可调参数取值 热端空气进口温度 1 t ( C) o 热端空气出口温度 1 t ( C) o 冷端空气进口温度 2 t ( C) o 冷端空气出口温度 2 t ( C) o 热端空气测量压差 Δp1 (Pa) 冷端空气测量压差 Δp2 (Pa) 热端空气流速 1 v (m s) 冷端空气流速 2 v (m s) 热端空气体积流量 qV1 (m s) 3 冷端空气体积流量 qV 2 (m s) 3
热流体热踹放热热流量②，(（W）】 流体冷端吸热热流量D,（W） 热管换热器传热量Φ(W） 传热系数K(w/m2.K)》 [注意事项] 1.热管换热器热端进口温度限定在60~100°C范围内，不得超温使用。 2.毕托管的连接软管不要打折，否则会影响压差的测量。 3.调整热管换热器的倾斜角度需两人配合，轻拿轻放。 4.不要碰触热管换热器的热端，以防烫伤。 5.实验结束时，先关闭电加热器开关，3分钟后再停止冷、热端风机，最后切断总 电源。 [数据处理] 1.温度的计算 热端与冷端传热温差： -+）-G+》（g (8-11) 式中(、一一热端空气进、出口温度，C 、一一冷端空气进、出口温度，C。 热端进口空气密度P,的定性温度： 热端空气进口温度{，·C: 冷端进口空气密度P,的定性温度： 热端空气进口温度，·C: 热端空气平均比定压热容C,的定性温度：
热流体热端放热热流量 1 (W) 冷流体冷端吸热热流量 2 (W) 热管换热器传热量 (W) 传热系数 K (W (m K)) 2 [注意事项] 1.热管换热器热端进口温度限定在 60 ~ 100 C o 范围内，不得超温使用。 2.毕托管的连接软管不要打折，否则会影响压差的测量。 3.调整热管换热器的倾斜角度需两人配合，轻拿轻放。 4.不要碰触热管换热器的热端，以防烫伤。 5.实验结束时，先关闭电加热器开关，3 分钟后再停止冷、热端风机，最后切断总 电源。 [数据处理] 1.温度的计算 热端与冷端传热温差： ( ) ( ) 2 Δ 1 1 2 2 t t t t t + − + = ( C) o （8-11） 式中 1 t、 1 t——热端空气进、出口温度， C o ； 2 t 、 2 t——冷端空气进、出口温度， C o 。 热端进口空气密度 1 的定性温度： 热端空气进口温度 1 t， C o ； 冷端进口空气密度 2 的定性温度： 热端空气进口温度 2 t ， C o ； 热端空气平均比定压热容 1 c 的定性温度：
热端空气平均温度1，=+上，℃。 2 冷端空气平均比定压热容c,的定性温度： 冷端空气平均温度1，=5+上，·℃： 2 2.体积流量的计算 热端空气流速： 2pm/) v,=a p (8-12) 式中&，一一热端测速段皮托管流速修正系数，a,=1.018: p,一一热端测速段空气的总压与静压压差，Pa: p,一—热端进口空气密度，kg/m3。 冷端空气流速： 2p2 v:=a:P: (m/s) (8-13) 式中42一一冷端测速段皮托管流速修正系数，a2=1.012: p2一—冷端测速段空气的总压与静压压差，Pa: P2-一冷端进口空气密度，kg/m3。 热端空气体积流量： 41=,S（m3/S) (8-14) 式中S一测速段风道截面积，m2。 s-iD ( (8-15) 式中D一一测速段风道内径，D=0.098m2
热端空气平均温度 2 1 1 1 t t t + = ， C o ； 冷端空气平均比定压热容 2 c 的定性温度： 冷端空气平均温度 2 2 2 2 t t t + = ， C o ； 2.体积流量的计算 热端空气流速： 1 1 1 1 2Δ p v = (m s) （8-12） 式中 1 ——热端测速段皮托管流速修正系数， 1 = 1.018 ； Δp1 ——热端测速段空气的总压与静压压差， Pa ； 1——热端进口空气密度， 3 kg m 。 冷端空气流速： 2 2 2 2 2Δ p v = (m s) （8-13） 式中 2——冷端测速段皮托管流速修正系数， 2 = 1.012 ； Δp2——冷端测速段空气的总压与静压压差， Pa ； 2 ——冷端进口空气密度， 3 kg m 。 热端空气体积流量： qV1 = v1S (m s) 3 （8-14） 式中 S ——测速段风道截面积， 2 m 。 2 4 1 S = D ( ) 2 m （8-15） 式中 D ——测速段风道内径， 2 D = 0.098m
冷端空气体积流量： g2=,S(m3) (8-16) 3.传热系数的计算 热流体热端放热热流量： =g,P,GG-）(W) (8-17) 冷流体冷端吸热热流量： ,=q2P2c,g-5)(w) (8-18) 热管换热器传热量： Φ=9+w) (8-19) 2 传热系数： (wes (8-20) [问题思考] 1.分析热平衡误差产生的原因。 2.由实验结果讨论如何强化热管换热器的传热
冷端空气体积流量： qV 2 = v2S (m s) 3 （8-16） 3.传热系数的计算 热流体热端放热热流量： ( ) 1 1 1 1 1 1 q c t t V = − (W) （8-17） 冷流体冷端吸热热流量： ( ) 2 2 2 2 2 2 q c t t V = − (W) （8-18） 热管换热器传热量： 2 1 2 + = (W) （8-19） 传热系数： A t K 2Δ = (W (m K)) 2 （8-20） [问题思考] 1.分析热平衡误差产生的原因。 2.由实验结果讨论如何强化热管换热器的传热