空气在水平管外自由对流换热实验.doc

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1、空气在水平单管外自由对流换热实验一.实验目的1.了解空气在水平单管外自由对流换热的实验方法；　　2.测定空气在水平单管外自由对流换热系数；　　3.根据对自由对流换热的相似分析，整理出准则方程式。二.实验装置2.1实验装置的名称与组成　　实验装置名称：空气横管表面自由运动放热试验装置　　换热介质：　　空气　　实验装置的组成如图8.1所示。1试验管2自耦变压器3开关盒4冰瓶W功率计Vd电位差计图1空气横管表面自由运动放热试验装置的组成(单管)2.2　试验管试验装置配用的试验管共有四种不同的规格，其结构如图8.2所示。在试验管内部装有电加热器，电源线自管的两端引出。电加热器所加电压由自耦调压变压

2、器调整，电功率用电功率计测定。在试验管壁中嵌有四个热电偶，其电热用电位差计测定。1电源引出线2电源引出孔3管体4绝缘材料5电加热器图2　试验管结构示意图　　装置配带试验管四根，其参数如下表：参数试验管1试验管2试验管3试验管4外径(mm)80604020长度(mm)2000160012001000黑度0.110.150.150.15三.实验原理　　电加热管通电后，对试验管进行加热，试验管壁和环境温度可由热电偶的热电势查分度表得出，也可由空气自由运动试验系统计算得出。　　加热时，试验管以自由对流和辐射两种方式向外散热。因此，对流换热量是总散热量与辐射换热量之差：Qc＝Qt－Qr(W)(8.1

3、)式中：Qc－对流换热量(W)；Qt－总散热量(W)；　　　Qr－辐射换热量(W)。　　由试验管的热平衡：　　　Qt＝W式中：W－加热电功率(W)。　　辐射换热量可表示为：　　　Qr＝C0εF［(Tw／100)4－(Ta／100)4］(W)(8.2)式中：C0－黑体辐射系数，C0＝5.669[W/(m2.K4)]；　　　ε－试验管表面黑度；F－试验管传热面积(m2)；Tw－试验管管壁温度(K)；　　　Ta－环境空气温度(K)。　　对流换热量可表示为：　　　Qc＝αF(tw－ta)(W)(8.3)式中：α－自由对流换热系数[W/(m2.℃)]；　　　tw－试验管管壁温度(℃)；　　　ta－环

4、境空气温度(℃)。　　于是有：　　　αF(tw－ta)＝W－C0εF［(Tw／100)4－(Ta／100)4］(8.4)　　因此：　　如将辐射换热以对流换热的形式表示，则总散热量可表示为：　　　Qt＝αtF(tw－ta)(W)(8.5)式中：αt－当量换热系数[W/(m2.℃)]。　　为查得空气的物性参数，需用到定性温度，定性温度为环境空气温度与试验管壁面温度的算术平均值：　　　tm＝(tw＋ta)／2(℃)(8.6)　　膨胀系数：β＝1/T　　努谢尔特数：Nu＝αd／λ(8.7)式中：d－试验管外径(m)；　　　λ－空气导热系数(W/m.℃)。　　格拉晓夫数：　　　Gr＝gβ(tw－t

5、a)d3／ν2(8.8)式中：ν－空气运动粘度(m2/s)。　　普朗特数：Pr＝ν／a(8.9)式中：a－空气导温度系数(m2/s)。　　对不同壁面温度求lgNu和lg(GrPr)，可得一线性方程。由lgNu－lg(GrPr)的关系，求出曲线斜率即指数n和系数C，于是可得出自由对流换热的准则方程式：　　　Nu＝C(GrPr)n(8.10)四.实验步骤4.1　实验准备　　1)熟悉试验装置及所用仪器仪表的工作原理与性能；　　2)安装好待测试验管；　　3)按图8.1接好线路；　　4)确认自耦调压变压器输出电压指针处于零位。4.2　实验过程　　1)接通总电源；　　2)调整自耦调压变压器，对试验管通

6、电加热；　　3)逐步调高电压，控制试验管外壁温度不超过130℃；　　4)稳定4小时；　　5)启动微机，进入空气自由运动试验系统；　　6)每隔30分钟测量并记录一次管壁温度和环境空气温度，如两组数据偏差不大于1℃，则认为实验装置已经稳定，数据为有效数据；4.3结束实验　　1)自耦调压变压器输出电压指针处于零位，停止试验管加热；　　2)退出空气自由运动试验系统，关闭微机；　　3)关闭总电源。五.空气在水平单管外自由对流换热系数测定实验记录1)　试验管试验管外径：(mm)试验管长度：(mm)试验管黑度：2)　实验数据时间热电势(mV)环境温度(℃)电压(V)电流(A)12343)　数据处理汇总t

7、w(℃)ta(℃)tm(℃)β(1/℃)λ(W/m.℃)ν(m2/s)α[W/(m2.℃)]NuPrGr×1054)　作图　　作出lgNu－lg(GrPr)图lgNulgGrPr六.实验报告的内容1．说明实验的目的。2．简述实验原理及过程。3．原始数据的记录与实验结果的处理。4.将lgNu随lgGrPr的变化表示在座标图上并倒出准则方程式Nu。