強迫對流管蔟管外放熱系數(shù)測試實驗指導(dǎo)書

實驗?zāi)康?br /> 1．了解熱工實驗的基本方法和特點；
2．學(xué)會翅片管束管外放熱和阻力的實驗研究方法；
3．鞏固和運用傳熱學(xué)課堂講授的基本概念和基本知識；
4．培養(yǎng)學(xué)生獨立進行科研實驗的能力。
實 驗 內(nèi) 容
1．熟練實驗原理和實驗裝置，學(xué)習(xí)正確使用測溫度、測壓差、測流速、測熱量等儀表。
2．正確安排實驗，測取管外放熱和阻力的有關(guān)實驗數(shù)據(jù)。
3．用威爾遜方法整理實驗數(shù)據(jù)，求得管外放熱系數(shù)的無因次關(guān)聯(lián)式，同時，也將阻力數(shù)據(jù)整理成無因次關(guān)聯(lián)式的形式。
4．對實驗設(shè)備，實驗原理，實驗方案和實驗結(jié)果進行分析和討論。
實 驗 原 理
1．翅片管是換熱器中常用的一種傳熱元件，由于擴展了管外傳熱面積，故可使光管的傳熱熱阻大大下降，特別適用于氣體側(cè)換熱的場合。
2．空氣（氣體）橫向流過翅片管束時的對流放熱系數(shù)除了與空氣流速及物性有關(guān)以外，還與翅片管束的一系列幾何因素有關(guān)，其無因次函數(shù)關(guān)系可表示如下：
N_u=f(R_e、P_r、N)
式中：N_u= 為Nusselt數(shù)；
R_e==為Reynolds數(shù)；
P_r==為Prandtl數(shù)；
H、δ、B分別為翅片高度、厚度、和翅片間距；
P_t、P_l 為翅片管的橫向管間距和縱向管間距；N為流動方向的管排數(shù)；
D_o為光管外徑，U_m、G_m為最窄流通截面處的空氣流速（m/s）和質(zhì)量流速。
（kg/m²s） 且Gm=Um•ρ
λ、ρ、μ、γ、α為氣體的特性值。
此外，放熱系數(shù)還與管束的排列方式有關(guān)，有兩種排列方式，順排和叉排，由于在叉排管束中流體的紊流度較大，故其管外放熱系數(shù)會高于順流的情況。
對于特定的翅片管束，其幾何因素都是固定不變的，這時，式（1）可簡化為：
N_u =f（R_e、P_r）（2）
對于空氣，P_r數(shù)可看作常數(shù)，故
N_u =f（R_e）（3）
式（3）可表示成指數(shù)方程的形式
N_u =CR_eⁿ（4） 
式中，C、n為實驗關(guān)聯(lián)式的系數(shù)和指數(shù)。這一形式的公式只適用于特定幾何條件下的管束，為了在實驗公式中能反映翅片管和翅片管束的幾何變量的影響，需要分別改變幾何參數(shù)進行實驗并對實驗數(shù)據(jù)進行綜合整理。
3．對于翅片管，管外放熱系數(shù)可以有不同的定義公式，可以以光管外表面為基準定義放熱系數(shù)，也可以以翅片管外表面積為基準定義。為了研究方便，此處采用光管外表面積作為基準，即：
（5）
式中：Q為總放熱量，（W），n為放熱管子的根數(shù)，πD₀ L為一支管的光管換熱面積（m²）,T_a為空氣平均溫度（℃），T_w0為光管外壁溫度（℃），此處，的單位為（w/m²•℃）。
4．如何測求翅片管束平均管外放熱系數(shù)是實驗的關(guān)鍵。如果直接由式（5）來測求，勢必要測量管壁平均溫度T_w0，這是一件很困難的任務(wù)。采用一種工程上更通用的方法，即：威爾遜方法測求管外放熱系數(shù)，這一方法的要點是先測求出傳熱系數(shù)，然后從傳熱阻中減去已知的各項熱阻，即可間接地求出管外放熱熱阻和放熱系數(shù)。即
（6）
式中：K為翅片管的傳熱系數(shù)，可由實驗求出
（7）
其中：Tv代表管內(nèi)流體的平均溫度。
是管內(nèi)流體對管內(nèi)壁的放熱系數(shù)，可由已知的傳熱規(guī)律計算出來；R_w由管壁的導(dǎo)熱公式計算之。
應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)管內(nèi)放熱系數(shù)>>時，管內(nèi)熱阻將遠遠地小于管外熱阻，這時，的某些計算誤差將不會明顯地影響管外放熱系數(shù)的大小。
5．為了保證有足夠大的數(shù)值，一般實驗管內(nèi)需采用蒸汽冷凝放熱的換熱方式。本實驗系統(tǒng)中，采用簡易熱管作為傳熱元件，將實驗的翅片管，做成簡易熱管的冷凝段，即簡易熱管內(nèi)部的蒸汽在翅片管內(nèi)冷凝，放出汽化潛熱，透過管壁，傳出翅片管外，這就保證了翅片管內(nèi)的冷凝過程。這時，管內(nèi)放熱系數(shù)可用Nusselt層流膜層凝結(jié)原理公式進行計算，即：
（8）
式中，（9）
為單位冷凝寬度上的凝液量（kg/s,m）,其中，r為汽化潛熱（J/kg），D_i為管子內(nèi)徑，式（8）中第2個括號中的物理量為凝液物性的阻合。
園筒壁的導(dǎo)熱熱阻為
（10）
應(yīng)當(dāng)注意，式（6）中的各項熱阻都是以光管外表面積基準的。
實 驗 設(shè) 備
實驗的翅片管束安裝在一臺低速風(fēng)洞中——實驗裝置和測試儀表如圖1所示。試驗由有機玻璃風(fēng)洞，加熱管件、風(fēng)機支架、測試儀表等六部分組成。
有機玻璃風(fēng)洞由帶整流隔柵的入口段，整流絲網(wǎng)、平穩(wěn)段、前測量段、工作段、后測量段、收縮段、測速段、擴壓段等組成。工作段和前后測量段的內(nèi)部橫截面積為300mm×300mm。工作段的管束及固定管板可自由更換。
試驗管件由兩部分組成；單純翅片管和帶翅片的試驗簡易熱管，但外形尺寸是一樣的采用順排排列，翅片管束的幾何特點如表1所示。
 
表1

翅片管內(nèi)  徑	翅片管外  徑	翅片 高度	翅片 厚度	翅片 間距	橫向管間  距	縱向管間  距	管排數(shù)
Di	Do	H	δ	B	Pt	Pl	N
mm	mm	mm	mm	mm	mm	mm
20	25.5	9.75	0.2	2.7	75	80	5

4根簡易試驗熱管組成一個橫排，可以放在任何一排的位置上進行實驗。一般放在第3排的位置上，因為實驗數(shù)據(jù)表明，自第3排以后，各排的放熱系數(shù)基本保持不變了。所以，這樣測求的放熱指數(shù)代表第3排及以后各排管的平均放熱系數(shù)。
簡易試驗熱管的加熱段由專門的電加熱器進行加熱，電加熱器的電功率由電流、電壓表進行測量。每一支熱管的內(nèi)部插入一支E型熱電偶用以測量熱管內(nèi)冷凝段的蒸汽溫度T_vo電加熱器熱的箱體上，也安裝一支熱電偶，用以確定箱體的散熱損失。熱電偶的電動勢也可由UJ33a型電位差計進行測量。

圖1實驗風(fēng)洞系統(tǒng)簡圖
1.風(fēng)機支架 2.風(fēng)機 3.風(fēng)量調(diào)節(jié)手輪 4.過渡管 5.測壓管 6.測速段 7. 過渡管 8.管簇后測壓管 9.實驗管段 10. 管簇前測壓管 11.吸入管 12.支架 13. 加熱元件 14.控制盤
空氣流的進出口溫度由數(shù)顯表配熱電偶測量，也可用0.1℃的玻璃溫度計進行測量，入口處安裝一支，出口處可安裝兩支，以考慮出口截面上氣流溫度的不均勻性?？諝饬鹘?jīng)翅片管束的壓力降由斜傾式壓差計測量，管束前后的靜壓測孔都是4個，均布在前后測量段的壁面上?？諝饬鞯乃俣群土髁坑砂惭b在測速收縮段上的畢托管和傾斜式壓差計測量。
五、實 驗 步 驟
1．熟悉實驗原理，實驗設(shè)備；
2．調(diào)試檢查測溫、測速、測熱等各儀表，使其處于良好工作狀態(tài)；
3．將四排加熱管上的接有熱電偶的上蓋拔出使其能夠冒氣即可。接通電加熱器電源，將電功率控制在2~3KW之間，加熱至四排加熱管均有水蒸氣冒出后，蓋上接有熱電偶的上蓋。開動引風(fēng)機。
注意：
（1）. 蓋上接有熱電偶的上蓋時，不要讓水蒸汽湯著手！
（2）.引風(fēng)機需在空載或很小的開度下啟動；
4．調(diào)整引風(fēng)機的閥門，來控制實驗工況的空氣流速，一般，空氣風(fēng)速應(yīng)從小到大逐漸增加，實驗中，根據(jù)畢托管壓差讀值，可改變 6~7個風(fēng)速值，這樣，就有 6~7個實驗工況；
5．在每一個實驗工況下，待確認設(shè)備處于穩(wěn)定狀態(tài)后，進行所有物理量的測量和記錄，將測量的數(shù)值記錄到予先準備好的數(shù)據(jù)記錄表格中。
6．進行實驗數(shù)據(jù)的計算和整理，將結(jié)果逐項記入數(shù)據(jù)整理表格中。在整理數(shù)據(jù)時，可以用手算程序，也可以用予先安排好的計算機程序。
7．對實驗結(jié)果進行分析和討論。
應(yīng)注意，當(dāng)所有工況的測量結(jié)束以后，應(yīng)先切斷電加熱器電源，待10分鐘后，再關(guān)停引風(fēng)機。
六、數(shù) 據(jù) 整 理
數(shù)據(jù)的整理可按下述步驟進行：
1．算風(fēng)速和風(fēng)量
測量截積的風(fēng)速
（10）
其中：壓差mm水柱或kgf/m²
空氣密度ρ kg/m³
單位換算系數(shù)g=9.8
故得出速度的單位為m/s
風(fēng)量：Ma=U_測*F_測*ρ_測
其中：測量截面積F_測=0.3*0.3 m²，測量截面處的密度由出口空氣溫度T_a2確定。
2．空氣側(cè)吸熱量：
Q_l=M_a*C_pa*(T_a2-T_a1) （11）
3．電加熱器功率
Q₂=I*V
4．加熱器箱體散熱。因箱體溫度很低，散熱量小，可由自然對流計算
Q₃=α_c*F_b*(T_ω- T_o)  
此處，α_c為自然對流散熱系數(shù)，可近似取α_c=5w/m²•℃進行計算；F箱為箱體散熱面積（實測），T_ω箱體溫度，T_o為環(huán)境溫度。
5．計算熱平衡誤差
                       （12）
6．計算翅片管束最窄流通截面處的流速和質(zhì)量流速
   m/s
    kg/m²·s
7．計算R_e數(shù)
 R_e=
8．計算傳熱系數(shù)　
℃                 （13）
9．計算管內(nèi)凝結(jié)液膜放熱系數(shù)
由式（8）進行計算，對于以水為工質(zhì)的熱管，液膜物性值都是管內(nèi)溫度T_v 的函數(shù)，因此，式（8）可簡化為：
         （14）
10．計算管壁熱阻，由式（9）計算
11．由式（6）計算管外放熱系數(shù)
12．計算
13．在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪關(guān)系曲線，并求出其系數(shù)和指數(shù)。也可由計算機程序求的回歸方程。
此外，空氣流過管束的阻力一般隨數(shù)的增加而急劇增加，同時，與流動方向上的管排數(shù)成正比，一般用下式表示
　　                　?。?5）
式中：為摩擦系數(shù)，在幾何條件固定的條件下，它僅僅是數(shù)的函數(shù)，即
　　　　　　　　　　 　　?。?6）
式（16）中的系數(shù)c和指數(shù)可由實驗數(shù)據(jù)在雙對數(shù)坐標(biāo)上確定。一組實測的實驗數(shù)據(jù)及其整理結(jié)果如附錄I所示。
七、討    論
（一）測求的管外放熱系數(shù)包括了幾部分熱阻？
（二）所求實驗公式的應(yīng)用條件和范圍是什么？應(yīng)用威爾遜方法需保證什么條件？
（三）每支實驗熱管的管內(nèi)溫度不盡相同，這對放熱系數(shù)的精確性有何影響？
（四）分析實驗誤差原因和改進措施。
（五）通過實驗，掌握了哪些實驗技能？鞏固了哪些基本概念？
八、附    記
（一）本實驗所需教學(xué)時數(shù)大約6學(xué)時。在進行充分預(yù)習(xí)實驗指導(dǎo)書的條件下，實驗進行約4學(xué)時，數(shù)據(jù)整理2學(xué)時。
（二）實驗應(yīng)用的基礎(chǔ)知識較多，易在課程的后期進行安排。
（三）因為本實驗臺的實驗元件都是可以更換的，可以滿足各種不同的實驗要求，因而也適用于研究生的實驗研究。也可為工業(yè)傳熱元件進行性能標(biāo)定。
銅—鏮銅熱電偶溫度——豪伏對照表

	mV	mV	mV	mV	mV	mV	mV	mV	mV	mV
溫度	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	0.000	0.039	0,078	0.116	0.155	0.194	0.234	0.273	0.312	0.352
10	0.391	0.431	0.471	0.510	0.550	0.590	0.630	0.671	0.711	0.751
20	0.792	0.832	0.893	0.914	0.945	0.995	1.036	1.077	1.118	1.159
30	1.201	1.242	1.284	1.325	1.367	1.408	1.450	1.492	1.534	1.576
40	1.618	1.661	1.703	1.745	1.788	1.830	1.873	1.916	1.958	2.001
50	2.004	2.081	2.130	2.174	2.217	2.260	2.304	2.347	2.391	2.435
60	2.478	2.522	2.566	2.610	2.654	2.698	2.743	2.787	2.831	2.867
70	2.920	2.965	3.010	3.054	3.099	3.144	3.189	3.234	3.279	3.325
80	3.370	3.415	3.469	3.506	3.552	3.597	3.643	3.689	3.735	3.781
90	3.827	3.873	3.919	3.965	4.012	4.058	4.105	4.151	4.198	4.224
100	4.291	4.338	4.385	4.432	4.479	4.526	4.573	4.621	4.665	4.715
110	4.673	4.810	4.858	4.906	4.953	5.007	5.049	5.099	5.145	5.193
120	5.241	5.289	5.338	5.386	5.434	5.483	5.531	5.580	5.629	5.677
130	5.726	5.775	5.824	5.873	5.922	5.971	6.020	6.070	6.119	6.168
140	6.218	6.267	6.317	6.367	6.416	6.466	6.516	6.566	6.616	6.666
150	6.716	6.766	6,816	6.867	6.917	6.967	7.018	7.068	7.119	7.169
160	7,220	7.271	7.322	7.373	7.424	7.475	7.526	7.577	7.626	7.679
170	7.730	7.782	7.833	7.885	7.936	7.998	8.040	8.091	8.143	8.195
180	8.247	8.299	8.351	8.403	8.455	8.507	8.559	8.611	8.664	8.716
190	8.769	8.821	8.874	8.926	8.979	9.032	9.085	9.137	9.190	9.243
200	9.296	9.349	9.402	9.456	9.509	9.562	9.616	9.669	9.722	9.776
210	9.829	9.883	9.937	9.990	10.044	10.098	10.152	10.206	10.260	10.314
220	10.368	10.422	10.476	10.530	10.685	10.639	10.693	10.748	10.802	10.857
230	10.912	10.966	11.021	11.076	11.131	11.185	11.240	11.295	11.350	11.405
240	11.460	11.516	11.571	11.626	11.681	11.737	11.729	11.848	11.903	11.959
250	12.014	12.070	12.126	12.182	12.237	12.293	12.349	12.405	12.461	12.517
260	12.513	12.630	12.686	12.742	12.798	12.855	12.911	12.967	13.024	13.080
270	13.137	13.194	13.250	13.307	13.364	13.421	13.478	13.535	13.592	13.649

鎳鉻-銅鎳（鏮銅）熱電偶（E型）溫度-微伏對照表

	μV	μV	μV	μV	μV	μV	μV	μV	μV	μV
溫度	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	0	59	118	176	235	194	354	413	472	532
10	591	651	711	770	830	890	950	1010	1071	1131
20	1192	1252	1313	1373	1434	1495	1556	1617	1678	1740
30	1801	1862	1924	1986	2047	2109	2171	2233	2295	2357
40	2420	2482	2545	2607	2670	2733	2795	2858	2921	2984
50	3048	3111	3174	3238	3301	3365	3429	3492	3556	3620
60	3658	3749	3813	3877	3942	4006	4071	4136	4200	4265
70	4330	4395	4460	4526	4591	4656	4722	4788	4853	4919
80	4985	5051	5117	5183	5249	5315	5382	5448	5514	5581
90	5648	5714	5781	5848	5915	5982	6049	6117	6184	6251
100	6319	6386	6454	6522	6590	6658	6725	6794	6862	6930
110	6998	7066	7135	7203	7272	7341	7409	7478	7547	7616
120	7658	7754	7823	7892	7962	8031	8101	8170	8240	8309
130	8379	8449	8519	8589	8659	8729	8799	8869	8940	9010
140	9081	9151	9222	9292	9363	9434	9505	9576	9647	9718
150	9789	9860	9931	10003	10074	10145	10217	10288	10360	10432
160	10503	10575	10647	10719	10791	10863	10935	11007	11080	11152
170	11224	11297	11365	11412	11514	11587	11660	11733	11805	11878
180	11951	12024	12097	12170	12243	12317	12390	12463	12537	12610
190	12684	12757	12831	12904	12978	13052	13126	13199	13273	13347
200	13421	13495	13569	13644	13718	13792	13866	13941	14015	14090
210	14164	14239	14313	14388	14463	14537	14612	14687	14762	14837
220	14912	14987	15062	15137	15212	15287	15362	15438	15513	15588
230	15664	15739	15815	15890	15966	16041	16117	16193	16269	16344
240	16420	16496	16572	16648	16724	16800	16876	16952	17028	17104
250	17181	17257	17333	17409	17468	17562	17639	17715	17792	17868
260	17945	18021	18098	18175	18252	18328	18405	18482	18559	18636
270	18713	18790	18867	18944	19021	19098	19175	19252	19330	19407