实验二,空气沿水平圆管外表面的自然对流换热系数

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1、实验二、空气沿水平圆管外表面的自然对流换热系数一、实验目的1．测定空气沿水平圆管外表面的自然对流换热系数。并将数据整理成准则方程式。2．了解对流换热系数的实验研究方法，学会用相似准则综合实验数据的方法，认识相似理论在对流换热实验研究中的指导意义。二、实验原理实验研究的是受热体（圆管）在大空间中的自然对流换热现象。根据传热学和相似原理理论，当一个受热表面在流体中发生自然对流换热时，包含自然对流换热系数的准数关系式可整理为：(2-1)式中：——努谢尔特准数；——葛拉晓夫准数；l—物体的特性尺寸，实验中为管径d；α—对流换热系数(W/m2·℃

2、)；λ——流体（空气）的导热系数(W/m2·℃)；v——流体（空气）的运动粘度(m2/s）；——流体的体积膨胀系数(1/K)。Tm——定性温度，实验中取，tw和t0分别为圆管壁面温度和室内温度；是过余温度（℃）；c、n——待定实验常数，需根据实验数据用最小二乘法进行确定。角标“b”表示以边界层平均温度作为定性温度。由于在一般情况下，实验管表面散失热量Q以对流和辐射两种方式散发的。(2-2)式中，Q—表面散失热量(W)，；Q＝IV；Qc—自然对流散失热流量(W)Qr—辐射散失热流量(W)。实验管可以被看做为被其他物体（房屋、地面）包围的面

3、积很小的凸物体，它的辐射热量为（W）(2-3)其中，εs为系统黑度，本实验系统中即为实验管表面黑度，由实验室事先测定；C0为绝对黑体辐射系数，C0＝5.67（W/m2·K4）；Tw、To分别为壁温和周围物体的平均温度(K)（近似取室温）；F为实验管辐射散热有效面积即为其圆周面积（m2）。在实验中,待整个管子达到热稳定状况后，通过测定在不同加热功率下得各点表面温度，可得到平均局部自然对流换热系数：(2-4)三、实验装置：实验装置如图3-1所示，主要由实验管、热电偶、自耦变压器、电压表、电流表、转换开关及电位差计组成，实验管中间装有电加热器

4、，其电源线在管的两端引出，通过自耦变压器给定电压使实验管加热，其加热功率用电压表、电流表测量，在实验管的不同部分沿管子外表面圆周不同方向安装几对热电偶，以测得管子外表面的平均温度，求出水平圆管外表面的平均自然对流换热系数。图自然对流换热系数测定试验装置图注意：实验装置的实验管应安装在一个单独的房间，房间要求尽可能密闭，以防止强迫对流，并要求没有暖气设备和阳光直射，以防止外界温度干扰和外来热辐射，电源控制和测试装置应安放在密闭室的外面。四、实验步骤1．熟悉实验设备，正确连接线路并接通电源，调整自耦变压器、给定一定电压对实验管进行加热。2．

5、加热后，待各对热电偶的测值稳定，可开始测量管壁温度，记下一组数据。3．间隔10分钟，测一组管壁数据，直至前后两组数据接近时为止，以这两组数据的平均值作为计算数据Tw。4．改变加热功率（即电压）至新工况，重复上述步骤，进行实验4－6次。5．记录室温、管径、管长。6．关闭电源，结束实验。五、思考题1．本实验系统吊在大房间内对实验的准确性有什么影响？如将其吊在很小的房间内又会带来什么问题？若阳光直射实验室对实验有何影响？2．实验管直径大的长度要长一些，直径小时可短一些，为什么？实验管为什么取得“较长”？3．按本实验方法测定对流换热系数时存在哪

6、些不利因素？4．计算中能否忽略放热管的辐射散热？5．定性温度有几种选取方法？可否直接选tw或tf做定性温度？6．本实验得到的计算Nu的准数方程的适用范围是什么？7．将你所得到的准数方程与教材中介绍的无限空间自然对流换热的公式比较（对比C、n值），说明其准确性并说明实验属于何种流态。