新大传热学实验指导04水平管外自然对流传热传热学实验指导0.docx

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1、实验4水平管外自然对流传热实验I实验目的1 .了解空气沿水平管表面自然对流传热过程,学习其实验测试技术;2 .测定空气沿水平管表面自然对流传热时的表面传热系数A;3 .对空气沿水平管表面自然对流传热进行相似分析,整理出实验关联式。实验原理在不流动的空气中,水平放置不锈钢圆管。对圆管进行电加热,热量将以自然对流和辐射两种方式向空气传递,所以自然对流传热热量为总热量与辐射热量之差,即c=-r=hA(tw-tf)(4-1)式中C自然对流传热热量W;电加热产生的总热量,W:r辐射传热热量,W;h自然对流表面传热系数,W(m2);A圆管表面积,A=TidLm2:d圆管外径,m:L圆管长度,m;tw圆管表

2、面平均温度,C;tf环境空气温度,C。电加热总热量为=UI(4-2)式中U加热电压,V;I加热电流,Ao辐射传热热量为式中圆管表面黑度;C0一一黑体辐射系数,C0=5.67W(m2K4);TW一一圆管表面平均温度,K;Tf一一环境空气温度,Ko因此,自然对流传热的表面传热系数为=-r=Sui-C.JidLf-1(4-4)A(LO)如丸一。)(IooJlj当实验系统达到稳定状态时,若测得圆管壁温口、空气温度。、加热电流/、加热电压U,就可由式(4-4)计算得到自然对流表面传热系数人。根据相似原理,自然对流传热的实验关联式可表示为NU=C(GrPr)n(4-5)式中一一通过实验所确定的常数。其中各

3、准则数:努塞尔N、格拉晓夫数G,、普朗特数Pr的定义分别为NUl,Gr=吟竺,PrJ(4-6)V2a式中;L空气的导热系数,W(mK);g重力加速度,ms2;av空气的体胀系数,av=1/T,1/K;T空气的定性温度,T=J+273,K:tm空气的定性温度,J:M一一圆管表面与空气之间的温差,C;V空气的运动粘度,m2sa空气的热扩散率,m2s.需要注意的是:常温下,空气的普朗特数变化不大,可取常数Pr=O.7。空气的物性参数由定性温度却确定,可从教材附表的空气热物理性质表查取。实验中,改变工况,通过不同管径的圆管,可以得到多组数据,采用作图法求出实验关联式中的常数c、为此,对实验关联式取对数

4、,可得IgNU=IgC+lg(GrPr)(4-7)在坐标纸上,以Ig(Gra)为横坐标,IgN为纵坐标描点,可画出一条实验直线。求出实验直线的斜率和截距,斜率即为实验常数值,而截距为Igc。实验常数C也可以通过在实验直线上任取一点(lg(GrPrgNu)t可得(G/Pr)和N值,由下式计算常数。(4-8)Nu(GrPr,实验装置实验装置有四根不同管径的圆管,每根圆管的结构如图4-1所示。1.加热导线2.保护盖3.接线柱4.绝缘法兰5.固定螺栓6.导热介质加注膨胀孔7.实验圆管8.导热介质管腔9.加热器10.热电偶实验圆管内装有电加热器,可方便地调节圆管加热功率。为使圆管表面温度均匀,管内充满了

5、导热介质。圆管上设置有导热介质加注膨胀孔,即可用来加注导热介质,也用于导热介质受热膨胀时溢出圆管。圆管两端装有绝热保护盖,以防止热量沿轴向散失。在每根圆管管壁不同位置,嵌入了多个热电偶,可测出圆管表面的平均温度。圆管的几何尺寸由实验室提供。加热电流组巡检仪图4-2实验控制箱面板图4-2为实验控制箱操作面板示意图。实验控制箱内主要有电子调压器、继电器组等。为改变加热工况,设置了功率调节装置以改变加热功率,从而改变实验圆管表面温度。功率表测定电加热器的加热功率。温控表组控制对应实验圆管的最高温度,避免高温熔化热电偶节点的焊锡。巡检仪显示圆管不同点的温度,巡检仪通道设置如图4-3所不O1234567

6、8室管管管管加加预内壁壁壁壁执执J”、留温温温温温器器度度度度度电电1231流压图4-3巡检仪通道设置实验内容(一)仪器调整1 .按要求接好线路,将调压器输出电压调整为零。2 .经指导老师检查后接通电源,选择实验工况,分别调整各实验圆管调压器,对各个实验圆管加热。特别注意:加热电压不得超过各个管子的最高电压。3 .待实验圆管加热初步稳定时,开始观测各个实验圆管温度:选定一个实验圆管,相继按下数据采集转换开关,读取该实验圆管的温度值。4 .间隔10分钟左右观测一次实验数据,直到两次读取的数据接近为至,此时可认为实验装置达到了稳定状态。记录两次接近的数据,计算平均值,以此作为计算的依据。5 .记录

7、空气温度、各个实验圆管的加热电压和加热电流。6 .如果时间允许,选择另一个实验工况,重复上述步骤。7 .实验结束时,经指导老师同意,将加热功率调为零,再切断电源。(二)测量数据1 .实验相关数据实验圆管A管:尺寸180OmmX075mm,表面黑度%实验圆管B管:尺寸160OmmX063mm,表面黑度/=0.15;实验圆管C管:尺寸120OmmXG38mm,表面黑度/=0.15;实验圆管D管:尺寸IooOmmX025mm,表面黑度4=0.15;空气的普朗特数:Pr=0.7;重力加速度:g=9.8ms2O2 .实验数据记录实验时间:实验台编号:环境温度:环境湿度:表4-1一个实验工况数据记录测址物

8、理量A管B管C管D管加热电压U(V)加热电流/(A)1点壁温。()2点壁温G()3点壁温13()4点壁温L(C)平均壁温(c)空气温度O()定性温度乙()表面传热系数加(w(m2)特征数NU特征数(G/*Pr)对数值Ig(Ml)对数值Ig(GPr)注意事项L实验中关闭门窗,禁止人员在实验室中走动,避免空气对流对实验产生影响。2 .导热介质不可充装过满,防止导热介质加热膨胀,从加注口溢出。3 .温控仪设定温度不可超过120C。4 .各个实验圆管设定的最高加热电压为:A管加热电压最高不超过IlOV;B管加热电压最高不超过IoOV;C管加热电压最高不超过90V;D管加热电压最高不超过80Vo数据处理

9、1 .温度的计算平均壁温:LJ(OC)(4-9)式中。、G、h、G一一同一圆管不同位置上的温度,C。定性温度:()(4-10)式中O空气温度,C。圆管壁面与空气之间的温差:At=JTj()(4-11)2 .特征数的计算根据定性温度乙,在教材的附录中查取空气的物性参数。自然对流表面传热系数:(4-12)式中d圆管外径,m;L圆管长度,m:U加热电压,V;I加热电流,A;一一圆管表面黑度;C0黑体辐射系数,C0=5.67W(m2K4);Tw一一圆管表面平均温度,K;Tf环境空气温度,Ko努塞尔数:Nll=(4-13)式中4一一空气的导热系数,W(mK).格拉晓夫数:Gr=(4-14)v式中g重力加

10、速度,ms2;av空气的体胀系数,av=1/T,1/K;T空气的定性温度,T=J+273,K;V空气的运动粘度,m2s(3.实验关联式的计算以Ig(Gr尸r)为横坐标,IgN”为纵坐标在坐标纸上描点,画出一条实验直线。在实验直线上任取两点,计算该直线的斜率和截距,斜率即为实验常数。截距为Igc,可计算出实验常数c。也可以在实验直线上任取一点(Ig(Gra)JgM/),可得(GrPr)和N值,由下式计算常数c:(4-15)Nu(GrPry最后,写出自然对流传热的实验关联式:Nli=cprPr)(4-16)问题思考1 .室内空气流动会对实验产生什么影响?2 .怎样才能使实验圆管的边界条件成为常壁温(或近似的常壁温)?3 .观察实验圆管四周热电偶的设置位置,说明理由。

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