同济大学传热实验-横管自由流动换热系数测定

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1、9横管自由流动换热系数测定一、目的利用多根尺寸不同的横管，测定这些横管对周围空气在自由流动情况下的对流放热系数c，并将实验数据处理成准则关系式，以便将实验结果扩大其应用范围二、原理换热设备中自由流动放热的经验公式，可以根据相似原理通过模型试验综合得出。所谓模型试验就是用缩小的模型观察换热设备中的换热规律，这要求模型与原型（指工业应用的换热设备）之间保持几何相似、流动相似和换热相似。根据相似理论，流体在自由流动情况下的对流放热规律可以整理成下列的准则关系式：如果取流体边界层中的平均温度作为定性温度。这里为换热表面的温度，为边界层以外流体的温度。则可以用下列准则关系式来表

2、达水平横管时流体自由流动放热规律：（1）如管表面具有均匀的温度，而远离横管的空气温度为，根据牛顿冷却公式，在稳定传热情况下，横管外表面传给空气的热量为若考虑横管外表面对四周环境也进行辐射放热，那么横管表面传出的热量Q必然是对流放热Qc和辐射放热QR二者只总和，即式中为黑体的辐射放热系数，其值为5.67×10-8W/m2K4；为横管外表面的黑度，由表面材料确定，铜管外表面涂铬时可为已知值；c为待定的对流放热系数。36如果在试验中能够测定圆管的表面温度，空气温度，以及横管表面所散出的热量，则对流放热系数c就可以用下列公式求出：在不同的温差下，可以求得得不同数值。根据定性温

3、度，可以把这些整理成多个无因次数值，和。这里，；数可以按的值从空气的物性参数表查得。有了这些准则数就可将这些数据按线性回归法整理成式形式的经验公式。三、模型试验装置本模拟试验数由四根直径各不相同的紫铜管组成，这些横管的外表面都电镀一层铬，使得各根横管都具有相同的黑度。四根横管都并列地放置在高支架上，每根横管的管内部各装一个电加热器，每个电加热器都从测试段轴头出量测加热器的电压，从而尽可能地消除横管的端部热损失。加热器所消耗的功率的大小，可用自耦式调压变压器进行调节。输出的功率通过装在电加热器电源上的电压表和电流表读出，并由变送器将数据送入数据采集系统。横管的外表面上焊

4、有6对热电偶，用来测定横管外表面的温度。通过变送器将数据送入数据采集系统。然后通过加权平均取得横管外表面的温度。横管的一端应开一小孔，以防止加热过程中管内空气的增压。此外应另备一支以测量空气的温度的热电偶。也通过变送器将数据送入数据采集系统。这一模型试验装置有四根横管，四根横管均安装在一个专用房间中，在试验进行期间，实验测试人员不宜进入此房间，以免破坏横管附近空的正常自由流动，测试仪表均设置在邻室中，测试工作也在邻室中进行。四、实验步骤1.36四根横管分别处于四种不同的温度状态下，闭合电闸开始加热，并调节所需的功率，并用调压变压器或对各根横管调整到各不相同的功率，使得

5、横管表面温度也各不相同，管径小的温度宜低些，管径大的温度宜高些。然后等待整个系统达到稳定。2.打开计算机电源，进入数据采集系统画面。有三个按钮，实验者进入、指导教师进入、退出系统。按图示按钮进入实验。3.进入实验系统，有一个对话框。需要输入实验者的姓名、班级、指导教师，以及实验选择。请选择空气在横管表面作自由流动换热实验。然后按确定按钮后，进入实验画面。4.进入实验画面后，画面底部有一排软按钮。实验者应该先按数据采集按钮，系统就进入数据采集状态。此时屏幕上会显示实验装置上所有数据。若认为数据可靠，即可按存盘键保存数据。然后按数据处理按钮，将所以实验数据经过简单处理后，

6、以表格形式提供给实验者。5.退出实验系统。6.由于本实验达到稳定传热的时间较长，故由实验室事先代为加热使之趋近稳定。采用四根横管的目的，在于取得较多的数据，以便可以获得准确度较高的准则关系式，事实上四根横管的数据还是不够的，只是为了节省学生处理实验数据的时间，从有限的四组数据学会如何进行数据处理的方法。7.实验数据记录表管号横管各点温度（℃）壁温tw电流I电压U外径d长度l黑度123456ⅠⅡⅢⅣ计算结果汇总表管号Num(Gr×Pr)mlgNum(Gr×Pr)m123436五、实验装置简图六、实验数据的处理1.先将实验数据代入下列各式进行计算：在稳定传热情况下，电加热

7、器在测试段传出的热量为：（2）式中U为电加热器的总压降，为测试段压降与电加热器总压降之比。在大空间内，横管表面以辐射方式传出的热量为：（3）因此，对流换热系数为：（4）（从教材附录2中查得）将四根横管的和数汇总填入下表，并分别把它们取常用对数，将这些对数值也填入表中。36计算结果汇总表管号lglg12342.用线性回归分析法求得自由对流换热经验公式由于式（1）是一个曲线方程，对此式左右两边取常用对数。则可以使曲线方程直线化，式为：上式与一般的线性方程y＝nx+C完全一致。线形回归法基本上就是最小二乘法，它可以不借助于图解，完全用计算的方法，将准则关系