实验3空气横掠圆管强制对流传热实验 实验目的 1.了解对流传热的实验研究方法: 2.学习测量风速、温度、热量的基本技能: 3.测定空气横向流过圆管表面的平均表面传热系数h,并将实验结果整理成准则方 程式。 [实验原理] 对于强制对流,流体外掠物体表面时表面传热系数山与流体的流速、物体几何参数、 物体的相对位置以及流体物性等因素有关,其关系可用下列准则方程式描述 Nu=f(Re,Pr) (3-1) 实验中,空气的普朗特数Pr变化不大,可看成是常数(P≈0.7),故准则方程可表 示成下列指数形式 Nu=C Re" (3-2) 式中C一一准则方程式系数: 一一准则方程式指数。 准则方程式中涉及准则数:努塞尔数Nu和雷诺数Re Nu=hd (3-3) 其中h一一圆管壁面平均表面传热系数,Wm2.K): d一一圆管外径,作为特征尺寸,m: 一一空气导热系数,W/mK)。 Re=ud (3-4) 其中一一空气流过实验管外侧最窄截面处的流速,m/s: V一一空气运动粘度,m2/s。 注意:空气物性参数应由空气的定性温度1,来确定
实验 3 空气横掠圆管强制对流传热实验 [实验目的] 1.了解对流传热的实验研究方法; 2.学习测量风速、温度、热量的基本技能; 3.测定空气横向流过圆管表面的平均表面传热系数 h ,并将实验结果整理成准则方 程式。 [实验原理] 对于强制对流,流体外掠物体表面时表面传热系数 h 与流体的流速、物体几何参数、 物体的相对位置以及流体物性等因素有关,其关系可用下列准则方程式描述 Nu = f (Re,Pr) (3-1) 实验中,空气的普朗特数 Pr 变化不大,可看成是常数( Pr 0.7 ),故准则方程可表 示成下列指数形式 n Nu = C Re (3-2) 式中 C ——准则方程式系数; n——准则方程式指数。 准则方程式中涉及准则数:努塞尔数 Nu 和雷诺数 Re hd Nu = (3-3) 其中 h——圆管壁面平均表面传热系数, W (m K) 2 ; d ——圆管外径,作为特征尺寸, m ; ——空气导热系数, W (mK)。 ud Re = (3-4) 其中 u——空气流过实验管外侧最窄截面处的流速, m s ; ——空气运动粘度, m s 2 。 注意:空气物性参数应由空气的定性温度 m t 来确定
(3-5) 2 式中t一一圆管壁面平均温度,·C: t,一一空气平均温度,·C。 本实验通过测定空气横掠圆管外表面时的Nu数、Re数,作出Nu-Re的关系曲 线,从而确定准则方程中的C、n值。 为保证实验的准确性,需在较大范围内改变R数。实验中采用改变空气流速的方 法,来得到不同的Re数。 实验的关键为表面传热系数h及空气流速u的测量。 (一)圆管外表面传热系数h的测量 实验圆管为铜管,内部由电加热器产生热量Q。管壁除了以对流的方式将热量传给 空气外,同时还会以辐射的方式向空气传热。因此,对流传热量Q。为 2.=Q-2,=W-2, (3-6) 式中2,一一辐射传热量,W: W一一加热电功率,W。 管壁向空气的辐射传热量为 ex-j] (3-7) 式中6一一圆管表面发射率,8=0.6~0.7: C一一黑体辐射系数,C。=5.67W/m2.K)月 T。一一圆管壁面平均温度,K: T,一一空气进口温度,K: A一圆管外表面面积,A=πL,m2: d一一圆管外径,m:
2 w f m t t t + = (3-5) 式中 w t ——圆管壁面平均温度, C o ; f t ——空气平均温度, C o 。 本实验通过测定空气横掠圆管外表面时的 Nu 数、 Re 数,作出 Nu- Re 的关系曲 线,从而确定准则方程中的 C 、 n 值。 为保证实验的准确性,需在较大范围内改变 Re 数。实验中采用改变空气流速的方 法,来得到不同的 Re 数。 实验的关键为表面传热系数 h 及空气流速 u 的测量。 (一)圆管外表面传热系数 h 的测量 实验圆管为铜管,内部由电加热器产生热量 Q 。管壁除了以对流的方式将热量传给 空气外,同时还会以辐射的方式向空气传热。因此,对流传热量 Qc 为 Qc = Q − Qr = W − Qr (3-6) 式中 Qr ——辐射传热量, W ; W ——加热电功率, W。 管壁向空气的辐射传热量为 − = 4 4 0 100 100 w f r T T Q C A (3-7) 式中 ——圆管表面发射率, = 0.6 ~ 0.7 ; C0 ——黑体辐射系数, ( ) 2 4 C0 = 5.67W m K ; Tw ——圆管壁面平均温度, K ; Tf ——空气进口温度, K ; A ——圆管外表面面积, A = dL, 2 m ; d ——圆管外径, m ;
L一一圆管实验段管长,m。 由牛顿冷却公式,圆管壁面平均表面传热系数h为 h=衣.-4)a或.-4 (3-8) 因此,通过实验测量圆管加热器电功率W、管壁平均温度工。、空气进口温度T,、 圆管外径d、圆管实验段长度L,从而可得到圆管壁面平均表面传热系数h,进而可得 到努塞尔数Nu。 (二)空气流速u的测量 实验采用皮托管测量空气的流速。皮托管设置在风洞的测速段,而不是在圆管试验 段外侧最窄处(见图3-1),故需将皮托管测量的测速段风速',转变为试验段风速山。 对于测速段,采用倾斜式微压计测得动压头H,由伯努利方程得 卫+0 (3-9) P2g pg p-p'=(p.-p)gH (3-10) 式中p'一一测速段空气静压(负压),Pa: p一一测速段空气总压,P: W'一一测速段空气流速,ms p一一空气密度,kg/m3: P。一一微压计中纯净水密度(最好用酒精),kg/m3; H一一微压计测得的动压头(微压计液柱高度),m: 8一重力加速度,m/s2。 测速段空气流速为 p (3-11) 对实验段,圆管外侧最窄截面处的风速应满足连续性方程
L ——圆管实验段管长, m 。 由牛顿冷却公式,圆管壁面平均表面传热系数 h 为 ( ) ( ) w f c w f c dL t t Q A t t Q h − = − = (3-8) 因此,通过实验测量圆管加热器电功率 W 、管壁平均温度 Tw 、空气进口温度 Tf 、 圆管外径 d 、圆管实验段长度 L ,从而可得到圆管壁面平均表面传热系数 h ,进而可得 到努塞尔数 Nu。 (二)空气流速 u 的测量 实验采用皮托管测量空气的流速。皮托管设置在风洞的测速段,而不是在圆管试验 段外侧最窄处(见图 3-1),故需将皮托管测量的测速段风速 u ,转变为试验段风速 u。 对于测速段,采用倾斜式微压计测得动压头 H ,由伯努利方程得 0 2 2 = + + g p g u g p (3-9) p − p = ( w − )gH (3-10) 式中 p ——测速段空气静压(负压), Pa ; p ——测速段空气总压, Pa ; u ——测速段空气流速, m s ; ——空气密度, 3 kg m ; w ——微压计中纯净水密度(最好用酒精), 3 kg m ; H ——微压计测得的动压头(微压计液柱高度), m ; g ——重力加速度, 2 m s 。 测速段空气流速为 ( ) ( ) − = − = p p gH w u 2 2 (3-11) 对实验段,圆管外侧最窄截面处的风速 u 应满足连续性方程
u'S'=u(S-NdL) (3-12) 式中S'一一测速段风道的截面积,m2: S- -实验段风道的截面积,m2: 一实验圆管数。 实验段空气流速为 's' M= (3-13) S-NdL 故实验中通过测量微压计动压头H、测速段风道截面积S”、实验段风道截面积S 实验圆管数N,计算可得到实验段风速u,进而可得到雷诺数R。 [实验装置] 强制对流传热实验台如图3-1所示,其主体为实验风洞。 313 14 11910 1516171819 h ▣y 图3-1实验风洞示意图 1.双扭曲线进风口2.蜂窝器3.整流金属网4第一测试段5.实验段6,第二测试段7.收缩段 8.测速段9.皮连接管10.风机1山.皮托管12.微压计13、14.温度计15.温度显示 16.加热调节17.加热器工作开关18加热功率显示19.总电源开关 实验风洞主要由风洞主体、风机、构架、实验管及其加热器、水银温度计、倾斜式 微压计、皮托管、热工仪表、功率表以及调压变压器组成。 实验段前风道有两段整流,可以使进入实验段前的气流稳定。皮托管置于测速段
u S = u(S − NdL) (3-12) 式中 S——测速段风道的截面积, 2 m ; S ——实验段风道的截面积, 2 m ; N ——实验圆管数。 实验段空气流速为 S NdL u S u − = (3-13) 故实验中通过测量微压计动压头 H 、测速段风道截面积 S 、实验段风道截面积 S 、 实验圆管数 N ,计算可得到实验段风速 u ,进而可得到雷诺数 Re 。 [实验装置] 强制对流传热实验台如图 3-1 所示,其主体为实验风洞。 图 3-1 实验风洞示意图 1.双扭曲线进风口 2.蜂窝器 3.整流金属网 4.第一测试段 5.实验段 6.第二测试段 7.收缩段 8.测速段 9.橡皮连接管 10.风机 11.皮托管 12.微压计 13、14.温度计 15.温度显示 16.加热调节 17.加热器工作开关 18.加热功率显示 19.总电源开关 实验风洞主要由风洞主体、风机、构架、实验管及其加热器、水银温度计、倾斜式 微压计、皮托管、热工仪表、功率表以及调压变压器组成。 实验段前风道有两段整流,可以使进入实验段前的气流稳定。皮托管置于测速段, A 4 5 6 8 12 B 11 9 10 a b 14 7 15 16 17 18 19 1 2 3 13
因测速段比起实验段截面积小得多,可使风速提高,测量准确。风量及风速由风机出口 处的挡板调节。实验段为叉排或顺排管束,实验段置于管束第三排,管内装有电加热器 作为热源,管壁嵌有四对热电偶测量壁温。 [实验内容] (一)仪器调整 1.把皮托管与微压计连接好,注意a与A、b与B相连,不要将连接软管打折。皮 托管尽量与风道轴线垂直,并使皮托管动压口位于风道中心,且正对风道轴线。调整微 压计水平,校正其零点。 2.将热电偶、加热器与热工仪表电器箱的连线接好,经指导教师检查无误后,准备 启动风机。 3.在关闭风机出口挡板的前提下启动风机,让风机空载启动,然后根据需要开启风 机出口挡板,调节空气流量。 4.调节变压器指针零点,在电压为零时接通电源,加热实验圆管。根据需要调节变 压器(电压不得超过180V),使其在某一热负荷下加热,并保持不变。开始时,将风 机出口挡板开到最大,可加快系统的稳定过程。待圆管壁面温度达到稳定(在三分钟内 不变),开始记录圆管壁温1、电功率W、空气进口温度t,、微压计读数H。 5.在上述热负荷下,通过调节风量来改变R数的大小。为此,保持调压器的输出 电压不变,依次调小风机出口挡板,在各个不同开度下进行测量,即为不同风速下同 热负荷时的实验数据 6.不同热负荷条件下的实验,仅需调节变压器改变电加热功率,重复上述步骤即可。 7.实验完毕后,先切断实验管加热电源,待5分钟后再关闭风机电源。 (二)测量数据 1.试验台主要参数 实验圆管外径d:38mm(可实测) 实验圆管工作段长度L:450mm(可实测》 实验圆管表面发射率6:0.65 测速段风道截面积S':150×180mm2 实哈段风道载面积:150×180m 试件最高加热电压:≤180W 实验圆管数N: 2.实验数据记录
因测速段比起实验段截面积小得多,可使风速提高,测量准确。风量及风速由风机出口 处的挡板调节。实验段为叉排或顺排管束,实验段置于管束第三排,管内装有电加热器 作为热源,管壁嵌有四对热电偶测量壁温。 [实验内容] (一)仪器调整 1.把皮托管与微压计连接好,注意 a 与 A 、b 与 B 相连,不要将连接软管打折。皮 托管尽量与风道轴线垂直,并使皮托管动压口位于风道中心,且正对风道轴线。调整微 压计水平,校正其零点。 2.将热电偶、加热器与热工仪表电器箱的连线接好,经指导教师检查无误后,准备 启动风机。 3.在关闭风机出口挡板的前提下启动风机,让风机空载启动,然后根据需要开启风 机出口挡板,调节空气流量。 4.调节变压器指针零点,在电压为零时接通电源,加热实验圆管。根据需要调节变 压器(电压不得超过 180V ),使其在某一热负荷下加热,并保持不变。开始时,将风 机出口挡板开到最大,可加快系统的稳定过程。待圆管壁面温度达到稳定(在三分钟内 不变),开始记录圆管壁温 w t 、电功率 W 、空气进口温度 f t 、微压计读数 H 。 5.在上述热负荷下,通过调节风量来改变 Re 数的大小。为此,保持调压器的输出 电压不变,依次调小风机出口挡板,在各个不同开度下进行测量,即为不同风速下同一 热负荷时的实验数据。 6.不同热负荷条件下的实验,仅需调节变压器改变电加热功率,重复上述步骤即可。 7.实验完毕后,先切断实验管加热电源,待 5 分钟后再关闭风机电源。 (二)测量数据 1.试验台主要参数 实验圆管外径 d : 38mm (可实测) 实验圆管工作段长度 L :450mm (可实测) 实验圆管表面发射率 :0.65 测速段风道截面积 S: 2 150180mm 实验段风道截面积 S : 2 150180mm 试件最高加热电压: 180V 实验圆管数 N : 2.实验数据记录
表3-1某一加热负荷时试验敦据记录 风机出口 挡板开度 6/6 5/6 4/6 3/6 2/6 1/6 W (W H(m ,(C t(C) w2(C) La (C) (C) t.(C) [注意事项] 1.严禁在没有开启风机的情况下,接通加热器电源。 2.实验圆管加热电压不得超过180V。 3.皮托管的管口需正对来流风速,其连接管不要打折。 4.实验结束时,先断加热器电源,等实验圆管冷却后再切断风机电源。 [数据处理] 1.物性参数的计算 实验圆管平均壁温: t=+tt(C) (3-14) 4 式中11、t2、1、t4一圆管不同位置的壁温,C。 定性温度:
表 3-1 某一加热负荷时试验数据记录 风机出口 挡板开度 6 6 5 6 4 6 3 6 2 6 1 6 W ( W ) H ( m ) f t ( C o ) w1 t ( C o ) w2 t ( C o ) w3 t ( C o ) w4 t ( C o ) w t ( C o ) [注意事项] 1.严禁在没有开启风机的情况下,接通加热器电源。 2.实验圆管加热电压不得超过 180V。 3.皮托管的管口需正对来流风速,其连接管不要打折。 4.实验结束时,先断加热器电源,等实验圆管冷却后再切断风机电源。 [数据处理] 1.物性参数的计算 实验圆管平均壁温: 4 w1 w2 w3 w4 w t t t t t + + + = ( C o ) (3-14) 式中 w1 t 、 w2 t 、 w3 t 、 w4 t ——圆管不同位置的壁温, C o 。 定性温度:
1=c (3-15) 2 式中t,一一空气进口温度,C。 由定性温度tm查表可得空气的密度p、导热系数2、运动粘度V以及水的密度 P 2.努塞尔数Nu的计算 辐射传热量: .-.c- (3-16) 式中e一一圆管表面发射率,=0.65 C。-一黑体辐射系数,C。=5.67W/(m2.K) d一一圆管外径,m: L一一圆管实验段管长,m: T。一一圆管壁面平均温度,K: T一一空气进口温度,K。 对流传热量: 2.=W-2, (3-17) 式中W一一加热功率,W。 圆管壁面平均表面传热系数: h=- dlt1) (3-18) 努塞尔数: (3-19)
2 w f m t t t + = ( C o ) (3-15) 式中 f t ——空气进口温度, C o 。 由定性温度 m t 查表可得空气的密度 、导热系数 、运动粘度 以及水的密度 w 。 2.努塞尔数 Nu 的计算 辐射传热量: ( ) 4 0 100 100 − = w f r T T Q C dL (3-16) 式中 ——圆管表面发射率, = 0.65 ; C0 ——黑体辐射系数, ( ) 2 4 C0 = 5.67W m K ; d ——圆管外径, m ; L ——圆管实验段管长, m ; Tw ——圆管壁面平均温度, K ; Tf ——空气进口温度, K 。 对流传热量: Qc = W − Qr (3-17) 式中 W ——加热功率, W。 圆管壁面平均表面传热系数: ( ) w f c dL t t Q h − = (3-18) 努塞尔数: hd Nu = (3-19)
式中1一一空气导热系数,W/mK)。 3.雷诺数Re的计算 测速段空气流速: d= 2gH(p.-p) (3-20) 0 式中H一一微压计测得的动压头(微压计液柱高度),m: P。一一微压计中纯净水密度(最好用酒精),kg/m3: p一一空气密度,kg/m3。 实验段空气流速: u's' M=- S-NdL (3-21) 式中S-一测速段风道的截面积,m2: S一一实验段风道的截面积,m2: N- 实验圆管数。 雷诺数: Re=ud (3-22) 式中v一一空气运动粘度,m2/s 4.准则方程式中C、n的确定 对准则方程式Nu=CRe",等式两侧取对数得: IgNu lgC+nlg Re (3-23) 将实验得到的几组Nu、Re值取对数,将结果以gRe为横坐标、gNu为纵坐 标描绘在坐标纸上,作出最佳直线,即为eNu-gR关系曲线。 上述直线的截距为gC,斜率为n。在最佳直线上取两点,可得 IgNu,-IgNu n= (3-24) Ig Re,-lg Re C=Nu (3-25)
式中 ——空气导热系数, W (mK)。 3.雷诺数 Re 的计算 测速段空气流速: ( ) − = gH w u 2 (3-20) 式中 H ——微压计测得的动压头(微压计液柱高度), m ; w ——微压计中纯净水密度(最好用酒精), 3 kg m ; ——空气密度, 3 kg m 。 实验段空气流速: S NdL u S u − = (3-21) 式中 S——测速段风道的截面积, 2 m ; S ——实验段风道的截面积, 2 m ; N ——实验圆管数。 雷诺数: ud Re = (3-22) 式中 ——空气运动粘度, m s 2 。 4.准则方程式中 C 、 n 的确定 对准则方程式 n Nu = C Re ,等式两侧取对数得: lgNu = lgC + nlg Re (3-23) 将实验得到的几组 Nu、Re 值取对数,将结果以 lg Re 为横坐标、lgNu 为纵坐 标描绘在坐标纸上,作出最佳直线,即为 lgNu − lg Re 关系曲线。 上述直线的截距为 lgC ,斜率为 n。在最佳直线上取两点,可得 2 1 2 1 lg lg lg lg Re Re Nu Nu n − − = (3-24) n Re Nu C = (3-25)
由此,可得到具体的准则方程式 Nu=C Re (3-26) [问题思考] 1.以实验为例,说明相似理论在对流传热实验研究中的应用。 2.实验中R的范围是多少?流体处于层流还是湍流?实验结果与理论值相差有多 大? 3.试分析实验管端部散热损失带来的影响,并设计一种减小热损失的方案
由此,可得到具体的准则方程式 n Nu = C Re (3-26) [问题思考] 1.以实验为例,说明相似理论在对流传热实验研究中的应用。 2.实验中 Re 的范围是多少?流体处于层流还是湍流?实验结果与理论值相差有多 大? 3.试分析实验管端部散热损失带来的影响,并设计一种减小热损失的方案