水平圆管外表面空气自然对流换热实验

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1、水平圆管外表面空气对流换热实验李刚2007010526精72一、实验目的与任务1、测定水平圆管加热时周围空气自然对流换热平均表面传热系数h。2、根据自然对流放热过程的相似分析，将实验数据整理成准则方程式。3、通过实验加深对相似理论基本内容的理解。二、实验原理根据相似理论，空气沿水平管外表面自然对流时，一般可以得到如下指数形式的准则关联式：式中，Nu，努谢尔特准则：Gr，格拉晓夫准则：Pr，普朗特准则，是温度的函数。C和n均为常数。我们的任务就是通过实验确定式中的这两个常数。在准则式中，空气的导热系数λ，运动粘度v，以及普朗特准则数Pr可以根据实验管

2、壁温度tw和环境温度tf的平均值tm，查表得到。空气的容积膨胀系数α取理想气体的膨胀系数，α=1/Tm。g是重力加速度，D是管子直径，△t是远离管壁的空气温度差，△t=tw-tf。由对流换热表面传热系数h的定义：式中，为水平管外表面与周围空气之间的对流换热量，水平管的外表面积,L为水平管的有效长度。在气体中的对流换热，不可避免的会伴随有热壁面与周围环境的辐射换热，因此，则管的实际传出热量为对流换热和辐射换热热量之和：式中，为实验管外表面的黑度，黑体辐射系数CO=5.67W·m-2·K-4。这里假设环境温度为空气温度。于是，水平管外表面对流换热表面传

3、热系数就可以由下式确定：上式中，对给定外径D和长度L表面黑度ε确定的水平实验管，只要测定管的实际传出热量Q，管外壁温tw，远离壁面约1m处空气温度tf，就可以确定水平管外表面对流换热表面传热系数h。要确定C和n，还要求实验的Nu-GrPr的数据足够多，GrPr的变化范围足够大。一、数据处理原始数据如下所示：圆管编号：2直径D=38.0mm，长度L=1190mm，表面黑度ε=0.08，标准电阻R=0.01Ω次序tft1/mVt2/mVt3/mVt4/mVt5/mVt6/mVUI/mVUV/V10.7333.4423.5983.6003.3793.32

4、53.15713.70560.92920.7333.4533.5973.6113.3963.3283.16613.70660.929求平均值：U(tw)=3.421mV，U(tf)=0.733mV，UI=13.706mV，UV=60.929V查表可得，tw=81.6℃，tf=18.6℃则tm=(tw+tf)/2=50.1℃，△t=63℃，α=1/(273+50.1)=3.095×10-3K-1Q=I·U=UI·UV/R=83.51W查表得物性参数：ρ=1.093kg/m3，Cp=1.005kJ/(kg·K)，λ=2.83×10-2W/(m·K)，v

5、=17.95×10-6m2/s，Pr=0.698又由于α=/(273+50.1)=3.095×10-3K-1，D=38.0mm，L=1190mm，ε=0.08所以Gr=（g·α·△t·D3）/v2=325424，Ra=Gr·Pr=227146h=[Q/F-εCoF(Tw4-Tf4)×10-8]/(tw-tf)=8.713W/(m2·K)Nu=h·D/λ=11.7实验其它组的数据整理如下：各组数据处理中均认为tf=18.6℃管序号tw/℃tm/℃λ×102W/(m·K)Q/Wh/W/(m2·K)Gr185.552.12.8426.7211.320.6

6、9842360.8281.650.12.8383.518.710.698325424367.743.22.7882.256.860.699635000484.951.72.8474.228.6370.698198737539.429.02.663.469.650.70158906-----7-----8121.570.02.96497.067.100.6944717000各实验管的设备参数如下：圆管序号直径D/mm长度L/mm表面黑度ε热偶个数n标准电阻R119.05600.0840.01Ω238.011900.0860.01Ω350.014300

7、.0870.01Ω432.012000.0860.01Ω513.04000.0840.1Ω615.85000.0840.01Ω725.07600.0860.01Ω886.422710.0880.01Ω根据上述数据计算各实验圆管表面流场的Nu值，如下表所示：圆管序号NuGrPrGr·Prlg(Nu)lg(Gr·Pr)17.57423610.698295680.884.47211.673254240.6982271461.075.36312.346350000.6994438651.095.6549.731987370.6981387180.995.1

8、454.7258900.70141290.673.626------7------820.7247170000.69432