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强迫对流综合试件放热系数测试装置

文章作者:上海大有 发表日期:2020年3月26日
一、实验目的 1、了解对流换热的实验研究方法; 2、测定空气横向流过管簇表面的平均表面放热系数h,并将实验数据整理成准则方程式; 3、测定空气横掠单管表面的平均对流放热系数α,并将实验数据整理成准则方程式; 4、了解空气流速及平板壁面温度的测量的方法,测定空气横掠平板平均表面传热系数,并将结果整理成准则关系式; 5、通过本实验熟悉和掌握汽-液式翅片管换热器实验台换热量及传热系数的测定方法。通过本实验熟悉和掌握汽-液式翅片管换热器阻力的测定方法; 6、了解实验装置的原理、测试系统及测试方法。通过对实测数据的整理,了解圆柱局部换热系数的变化规律。分析讨论局部换热系数的变化原因,以加深对对流换热现象的认识; 7、学习测量风速、温度、热量的基本技能。 二、实验原理 强迫对流管簇的实验原理。 根据相似理论,流体受迫外掠物体时的表面放热系数h与流速、物体几何形状及尺寸、流体物性间的关系可用下列准则方程式描述: 实验研究表明,流体横掠管簇表面时,一般可将上式整理成下列具体的指数形式: 式中: 均为常数,由实验确定 雷诺准则 普朗特准则 上述各准则中 实验翅片管基管外径,作定性尺寸(m); 流体平均温度下,管间最大流速,m/s; 流体空气导热系数( ; 流体导温系数 ; 流体运动粘度 ; 壁面平均对流放热系数 ; 准则角码 表示用流体边界层平均温度 作定性温度 t_W——试验管壁面平均温度,℃; t_f——空气环境温度,℃。 签于实验中流体为空气, =0.7,故准则式可化成: 本实验的任务在于确定 的数值,首先使空气流速一定,然后测定N_u和R_e准则中有关的数据:电流 、电压 、管壁温度 、空气温度 微压计动压头 。至于表面平均对流放热系数 和流体空气流过实验管外最窄面处流速 在实验中无法直接测得,可通过计算求得,而物性参数可在有关书中差得。得到一组数据后,可得一组 、 值,改变空气流速,又得到一组数据,再得一组 、 值,改变几次空气流速,就可得到一系列的实验数据,从而建立准则方程式。 强迫对流单管的实验原理。 根据相似理论,流体受迫外掠物体时的放热系数h与流速u、物体几何形状及尺寸及流体物性间的关系可用下列准则方程式描述: Nu=f(Re,Pr) 实验研究表明,流体横掠单管外表面时,一般可将上式整理成下列具体的指数形式。 式中 :c、n、m均为常数,由实验确定, Num——努谢尔特准则 Rem——雷诺准则 Prm—— 普朗特准则 上述各准则中:d——实验管外径,作定性尺寸,m; u——特征流速(自由流速度,即实验段流速,即来流流速)[m/s]; h——空气横掠单管,管外表面平均对流放热系数[W⁄(m^2.K)] λ——流体导热系数[W/m˙K]; α——流体导温系数[m2/s]; ν——流体运动粘度[m2/s]。 准则角码“m”表示用流体边界层平均温度 作定性温度。 鉴于实验中流体为空气,Prm=0.7,故准则式可化成: 。 本实验的任务在于确定c与n的数值,首先使空气流速一定,然后测定有关的数据:电流I、电压V、管壁面平均温度 、空气环境温度 ,风量。至于h、u在实验中无法直接测得,可通过计算求得,而物性参数可在有关书中查得。得到一组数据后,可得一组Re、Nu值,改变空气流速,又得到一组数据,再得一组Re、Nu值,改变几次空气流速,就可得到一系列的实验数据,做出lgNu=lgC+nlgRe图线。 强迫对流空气横掠平板的实验原理。 根据对流换热的量纲分析,稳态强制对流换热规律可以用下列准则关系式来表示:         经验表明上式可以表示成下列形式:  (1) 对于空气,当温度变化不大时,普朗特书Pr变化很小,可以作为常数处理: 故(1)式可表示为 (2) 本实验的任务就是确定 之值。因此就需要测定 数中所包含的各个物理量。 其中d为特征尺寸,在平板中是平板长度,为已知量,物性λ、 ,按定性温度查表确定.表面传热系数 不能直接测出,必须通过测加热量,壁温 及流体平均温度 ,根据(3)式来计算:      (3) 其中 :电加热功率, :平板外表面积。 1、空气来流速度: 空气来流速度u用毕托管测量,根据伯努利方程,毕托管所测得的气流动压 与气流速度u的关系如下: ρ为空气密度,由空气来流温度查表确定。 所以空气来流速度为: 。 2、加热功率:加热功率Q可通过测量加热的电压降 和电流 来计算。     Q=U*I。 3、空气来流温度及平板内外表面温度的测量: (1)空气来流温度用K型热电偶测量, ; (2)确定实验平板内壁面温度也用K型热电偶测量, ; (3)空气离开加热平板的温度用K型热电偶测量, 。 由于对流和辐射的影响,实验中直接测量平板外壁面温度很不准确,因此我们直接测量内壁面的温度,通过内壁面的温度以及加热电压,加热电流和铜板的传热面积、导热系数,可以计算出铜板的外壁面温度。由于铜板为上下两个面,在计算时要注意。 本实验中主要测量平板前后的空气温度以及铜板的内壁面温度。 实验平板为一个有内热源的上下对称的平板,而且内壁温度大于外壁温度。实验时,空气流速可调整4-5个工况,加热电流可根据平板的大小和厚度及风速大小适当调整,保证平板与空气间有适当的温差。 4、根据每次实验工况所测数据计算整理得出相应的Nu、Re的值,连同其它组的实验数据,在双对数坐标纸上,以Nu为纵坐标,Re为横坐标。将各个工况点标示出。它们的规律可以近似的用一条直线表示: 则Nu、Re之间的关系可近似表示成幂函数形式: 。根据实验数据用最小二乘法或作图方法得出上述关联式中的C和n的值。 5、计算定性温度tm 对于空气横掠平板, 选择平板壁面温度和空气环境温度的平均温度作为定性温度。 6、 数计算中的特征速度确定 对于空气横掠平板,特征速度等于来流速度,即为 。 汽液翅片管换热器试件 当用汽-液式翅片管换热器处理空气时,处理过程为等湿加热且只是显热的交换过程,主要取决于传热系数的大小。汽-液式翅片管换热器的传热系数由下式确定: 1)空气获热量:Q1=Cpk·Gk(t2-t1), [W] 2)热水放热量:Q2=Cps·Gs(T1-T2), [W] 3)平均换热量: , [W] 4)热平衡误差: 5)传热系数: · [W/m2·℃] 式中:Cpk,Cps分别为空气和水的定压比热。[J/kg·℃] Gk,Gs 分别为空气和水的质量流量,[Kg/s] Gk=Fk Gs——进口温度下的水流量 Kg/s Fk——测速风管面积,[m2] ——笛形管压力修正系数 b——微压计倾斜比1/5 hk——微压计读数,[pa] ρk——空气密度,[Kg/m3] t1,t2——空气的进出口温度,[℃] T1,T2——热水的进出口温度, [℃] F——换热器散热面积,[m2] ——传热温差,[℃] [℃] 空气橫掠圆柱体时局部换热系数的测定 局部换热系数是对流换热中的重要概念。特别是流体外掠物体时,物体表面各部位的局部换热系数变化很大。本实验通过测量空气橫掠表面热流密度为恒定值的圆柱体时的局部换热系数来认识这一现象。 按定义,局部换热系数 由下式确定: (w/m2K) 式中, —物体表面的热流密度,W/m2; —对应于某一圆周角的表面温度,℃; —流体主流温度,℃。 当热流密度为恒定值的圆柱体表面被恒温空气橫掠时,其表面温度沿圆周的变化可直接反映出表面换热系数沿圆周角的变化。 圆柱体表面不同角度的温度由热电偶测得,加热电流和加热电压由数显表显示。 空气来流速度u∞ (m/s) 式中:ρ-空气密度, kg/m3,由气流温度tf 查表确定; Δh-皮托管测得的来流动压头,mmH2O。 局部对流换热系数 本实验中做下列假设: a) 电热功率均布在整个圆柱体表面。 b) 不计圆柱体向外界的辐射换热。 c) 忽略圆柱体表面不锈钢片的周向导热。 局部换热系数 可按下试计算 (W/m2K) 努谢尔特准则Nuφ和雷诺准则Re 定型尺寸用圆柱外径D,定性温度取(tφ-tf )/2。
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