实验指导书(空气沿横置圆管表面自然对流平均换热系数的测定

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1、空气沿横置圆管表面自然对流平均换热系数的测定实验一、实验目的及要求1．目的（1）学习在自然对流实验台上研究空气沿横置圆管表面自然对流换热的方法。（2）测定空气沿横置圆管表面自然对流时的平均换热系数α。（3）将实验数据整理成准则方程，从而掌握空气沿横置圆管表面自然对流换热的规律。2．要求（1）充分理解实验原理。（2）必须懂得在实验中应记录哪些量。（3）能独立地将测量数据整理成准则方程，正确区分实验法确定换热系数的两种方法的优、缺点以及适用范围，从而巩固课堂上学过的知识。二、实验原理影响自然对流的换热系数α的五大因素有：1．由流体

2、冷、热各部分的密度差产生的浮升力；2．流体流动的状态；3．流体的热物性；4．换热壁面的热状态；5．换热壁面的几何因素；依据相似理论，它们之间的关系包含在准则方程之中。由于本实验中介质为空气，其物性随温度的变化较小，空气的Pr值随温度的变化不大，Pr≈0.72，故相应的准则方程可简化为：Nuf=f(Grf)对流换热问题的准则函数形式，通常采取指数函数的形式表示：Nuf=cGrfn式中：Nuf——努谢尔特准则Nuf=Grf——葛拉晓夫准则Grf=系数c，上标n——均为需通过实验来确定的常数。上述各准则中，有关的物理量及其单位分别为

3、：α——对流换热系数W/（m2·Κ）D——实验单管外径mλ——空气的导热系数W/（m·Κ）β——介质的膨胀系数K-1g——重力加速度m/s2Δt——介质和管壁表面之间的温差Kν——运动粘性系数m2/s下标f——表示各准则以流体介质在物体边界层以外处的温度tf为定性温度。要通过试验确定空气横向掠过单管时Nuf与Grf的关系，就要求葛拉晓夫数Grf有较大范围的变动才能保证求得的准则方程式的准确性。改变葛拉晓夫数Grf可以通过改变温度（Δt）及管子直径（D）来达到。测量的基本量为空气温度tf，管子表面温度tw及管子表面散出的热量Q。

4、三、实验设备整套实验装置由实验台、控制箱、电脑三大部分组成。实验台上悬挂有试件（四种直径单根圆管），试件内装有电加热管，两端装有绝热盖（计算中略去轴向热损失）。试件上有热电偶嵌入管壁，所有单圆管中央的热电偶均与控温仪连接，防止温度过高烧毁试件；沿管子圆周均匀分布热电偶均与巡检仪连接可直接显示管壁各个测点的温度。A、B、C、D管管壁的测温热电偶数分别为4、4、6、8个。试件结构如图一所示图一、试件结构示意图1.加热导线2.接线柱3.绝热盖4.绝缘法兰5.绝热泡沫垫6.绝热体7.实验管8.管腔9.加热管10.热电偶控制箱内有稳压器

5、可稳定输出电压，使其加到单管上的热量保持一定，并设置电压调节装置以改变加热量从而改变实验管壁面温度。电压、电流表分别显示电加热器的电压和电流；巡检仪可显示单圆管壁面温度、实际电流、电压、室内温度。见图二：图三、控制箱1——D4=80mm测温琴键开关2——D3=60mm测温琴键开关3——D2=40mm测温琴键开关4——D1=20mm测温琴键开关5、25—D4=80mm加热接线柱6、24—D3=60mm加热接线柱7、23—D2=40mm加热接线柱8、22—D1=20mm加热接线柱9—16点万能信号输入巡检仪10————输出显示电压

6、表11————高温保护温控仪14——热电偶接线柱组(32对)12—D1=20mm输出显示加热电流表13—D2=40mm输出显示加热电流表15—D3=60mm输出显示加热电流表16—D4=80mm输出显示加热电流表17————D1=20mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管18————D2=40mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管19————D3=60mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管20————D4=80mm对应实验管的加热开关、调节旋钮、指示灯、保险管21————计算机采集RS232

7、接口。电脑可显示并自动记录单圆管壁面温度、实际电流、电压、室内温度，通过数据分析，很容易判断系统是否达到稳定工况；它还可自动运算和描绘出图线。四、实验步骤1．熟悉实验装置，连接电源线路和测量仪表线路，经指导教师检查确认无误后选择实验圆管，按下相应琴键开关，打开加热开关，调整调压旋钮开始加热，并保持电压不变。2．当圆管各测温点温度在10~15分钟不变时，认为管壁温度已稳定，此时为第一个稳定工况，可记录各测点温度，并同时记录电流I和电压U的数值以及离实验管1米外室温tf。此过程计算机自动完成。3．调整调压旋钮将电压调高至某一数值后

8、保持不变，待各个测点温度稳定后，记录第二个稳定工况的上述各实验数据。4．完成4个工况后，一组实验完成。5、选择其他管径圆管，重复上述过程，四组实验完成后，实验结束。五、实验记录附表一：试验原始数据记录待测或已知物理量单位第一组第二组第三组第四组试管尺寸外径Dm0.020.04