横管表面空气自然对流换热.doc

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1、湖南大学实验报告实验名称横管表面空气自然对流换热学院专业班级学号姓名指导教师完成日期一、实验目的1.　测定单根横管对周围空气自然对流时的表面传热系数；2.　用多个工况的实验数据整理成大空间自然对流的实验关联式；3.　加深对自然对流换热规律的理解。二、实验原理被加热的水平横管，其表面壁温为，周围环境空气温度为。当＞时，横管附近空气由于受到横管的直接加热，导致温度升高，密度变小，又因为密度的不均匀而引起浮升力，使得横管周围的空气开始沿横管表面向上运动，而周围的空气又补充到横管周围，如此循环，形成自然对流换热。动

2、力设备、蒸汽管道等周围都存在类似的对流换热。根据牛顿公式，在稳定状态下，加热横管表面由于对流换热而散失的热量可由下式计算：W（1）式中：h——壁面平均换热系数，W/（m2·K）；A——横管有效换热面积，m2；——横管壁面平均温度，℃；——空气主流温度，℃。如果考虑横管表面对空间辐射的影响，还有一部分热量由管壁以辐射方式向外散热，散热量可由下式计算：W（2）式中：——管子表面黑度，＝0.1（根据横管表面黑度确定，软件可自己设定）；——黑体辐射常数，＝5.67W/（m2·K4）;A——管子表面积，m2；——管子

3、壁面平均温度，K；——空气温度，K。根据式（1）和式（2），当达到稳定状态时，横管传给空气总的热量，在忽略管子端部散热的前提下，应等于管子内部电加热器所产生的热量Q，而，因此若测得壁温和空气温度，那么对流换热系数h，可由下式求得：W/(m2.K)（3）根据相似理论，自然对流的准则方程可整理成：（4）式中：Nu——努塞尔数，Nu=h·D/λ；Gr——葛拉晓夫数，Gr=gβD3(tw－tf)/υ2；Pr——普朗特数，对于空气，见附录空气参数表；λ——流体导热系数，W/(m·K)；D——横管直径，m；β——流体的

4、体积膨胀系数，理想气体β=1/tm；υ——流体运动粘度，m2/s；△t——壁面与空气的温差，℃。其中，准则数下标“m”表示准则数的定性温度取壁面温度tw和空气温度tf的算术平均值：tm=(tw+tf)/2。在求得自然对流换热系数h之后，可求得各工况的Nu和Gr值，并由数据处理(最小二乘法)得到系数C和指数n，从而建立实验准则方程式。三、实验装置实验装置如图1所示，主要由加热系统(包括实验横管、电加热器等)和测试系统（包括热电偶温度传感器、电功率表、多功能采集板和计算机等）组成。实验用有效横管长度为1m，外径

5、分别为Φ25mm、Φ32mm、Φ38mm和Φ51mm。四根横管挂在密封的测试间里，以减小因人员走动而引起的空气扰动对实验工况的影响。每根横管内放置电加热器(6)作为热源，而电加热端连接有功率表以测量发热功率得到发热量Q值。每根横管的外表面嵌有三对T型热电偶(3)，以测量横管的外壁温tw。空气温度由两个T型热电偶上下分布，最后读数取平均值。实验装置的大致电路及测量系统如图1所示。图1实验横管电路及测量系统1．实验横管2．计算机软件控制界面3．测壁温热电偶4．控制柜5．调压旋钮6．电加热管7．电功率表该实验系统

6、基于计算机数据采集装置、符合测试要求的信号传感器与接口电路，在Windows环境下，开发面向对象的工业实时数据采集与处理软件，构成具有检测、分析、试验、记录、绘图等多功能一体化的计算机辅助实验系统。四、实验步骤1.联接实验装置的线路（电加热器的电源由单相交流电源提供，而壁温热电偶电势信号通过控制柜内采集板采集），如图1所示，确保无误后继续操作；2.打开控制柜的空气开关，其次在电脑上打开横管表面空气自然对流换热系统软件（软件操作请参照实验说明书），然后新建实验，务必按照软件提示完成横管选择和功率设定（横管由选

7、择开关选择，功率可由功率调节旋钮设定）。3点击“提交”按钮后按下“开始”键，大概10秒钟左右可以看到有相关数据显示；4.等待直至实验系统进入稳定状态，观察实时曲线和数据，直到实验平衡后结束实验；5.结束实验时，先关闭软件，再将选择开关打在“0”档，最后关闭控制柜空气开关；6.至此完成了一根横管的实验。7.按照上述实验步骤对其它各根横管进行实验，记录下各根横管的实验数据，进行处理，并最终得出实验准则方程式（可在本软件上实验）。不同热负荷条件下的实验，选择任意一只横管，只要调节调压器改变电加热器功率，重复上述实

8、验步骤。五、实验台功能结构简单、安装方便；测试过程具有直观、快速、准确、方便；系统采用高精度T型热电偶，测量的电势信号转换为标准信号，直接通过模拟量输入端采集用于控制。测控软件采用.NET编程技术，同时引入ActiveX虚拟仪器控件，构成了具有Windows操作风格、虚拟仪器为一体的测控界面。整套系统主要由以下几个部分组成：实验横管、计算机、电功率表、电加热器、调压变压器、温度采集板、热电偶传感器、实验软件（Wi