強(qiáng)迫對(duì)流管蔟管外放熱系數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br /> 1．了解熱工實(shí)驗(yàn)的基本方法和特點(diǎn)；
2．學(xué)會(huì)翅片管束管外放熱和阻力的實(shí)驗(yàn)研究方法；
3．鞏固和運(yùn)用傳熱學(xué)課堂講授的基本概念和基本知識(shí)；
4．培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行科研實(shí)驗(yàn)的能力。
實(shí) 驗(yàn) 內(nèi) 容
1．熟練實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)習(xí)正確使用測(cè)溫度、測(cè)壓差、測(cè)流速、測(cè)熱量等儀表。
2．正確安排實(shí)驗(yàn)，測(cè)取管外放熱和阻力的有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
3．用威爾遜方法整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，求得管外放熱系數(shù)的無因次關(guān)聯(lián)式，同時(shí)，也將阻力數(shù)據(jù)整理成無因次關(guān)聯(lián)式的形式。
4．對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論。
實(shí) 驗(yàn) 原 理
1．翅片管是換熱器中常用的一種傳熱元件，由于擴(kuò)展了管外傳熱面積，故可使光管的傳熱熱阻大大下降，特別適用于氣體側(cè)換熱的場(chǎng)合。
2．空氣（氣體）橫向流過翅片管束時(shí)的對(duì)流放熱系數(shù)除了與空氣流速及物性有關(guān)以外，還與翅片管束的一系列幾何因素有關(guān)，其無因次函數(shù)關(guān)系可表示如下：
N_u=f(R_e、P_r、N)
式中：N_u= 為Nusselt數(shù)；
R_e==為Reynolds數(shù)；
P_r==為Prandtl數(shù)；
H、δ、B分別為翅片高度、厚度、和翅片間距；
P_t、P_l 為翅片管的橫向管間距和縱向管間距；N為流動(dòng)方向的管排數(shù)；
D_o為光管外徑，U_m、G_m為最窄流通截面處的空氣流速（m/s）和質(zhì)量流速。
（kg/m²s） 且Gm=Um•ρ
λ、ρ、μ、γ、α為氣體的特性值。
此外，放熱系數(shù)還與管束的排列方式有關(guān)，有兩種排列方式，順排和叉排，由于在叉排管束中流體的紊流度較大，故其管外放熱系數(shù)會(huì)高于順流的情況。
對(duì)于特定的翅片管束，其幾何因素都是固定不變的，這時(shí)，式（1）可簡化為：
N_u =f（R_e、P_r）（2）
對(duì)于空氣，P_r數(shù)可看作常數(shù)，故
N_u =f（R_e）（3）
式（3）可表示成指數(shù)方程的形式
N_u =CR_eⁿ（4） 
式中，C、n為實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的系數(shù)和指數(shù)。這一形式的公式只適用于特定幾何條件下的管束，為了在實(shí)驗(yàn)公式中能反映翅片管和翅片管束的幾何變量的影響，需要分別改變幾何參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合整理。
3．對(duì)于翅片管，管外放熱系數(shù)可以有不同的定義公式，可以以光管外表面為基準(zhǔn)定義放熱系數(shù)，也可以以翅片管外表面積為基準(zhǔn)定義。為了研究方便，此處采用光管外表面積作為基準(zhǔn)，即：
（5）
式中：Q為總放熱量，（W），n為放熱管子的根數(shù)，πD₀ L為一支管的光管換熱面積（m²）,T_a為空氣平均溫度（℃），T_w0為光管外壁溫度（℃），此處，的單位為（w/m²•℃）。
4．如何測(cè)求翅片管束平均管外放熱系數(shù)是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。如果直接由式（5）來測(cè)求，勢(shì)必要測(cè)量管壁平均溫度T_w0，這是一件很困難的任務(wù)。采用一種工程上更通用的方法，即：威爾遜方法測(cè)求管外放熱系數(shù)，這一方法的要點(diǎn)是先測(cè)求出傳熱系數(shù)，然后從傳熱阻中減去已知的各項(xiàng)熱阻，即可間接地求出管外放熱熱阻和放熱系數(shù)。即
（6）
式中：K為翅片管的傳熱系數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)求出
（7）
其中：Tv代表管內(nèi)流體的平均溫度。
是管內(nèi)流體對(duì)管內(nèi)壁的放熱系數(shù)，可由已知的傳熱規(guī)律計(jì)算出來；R_w由管壁的導(dǎo)熱公式計(jì)算之。
應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)管內(nèi)放熱系數(shù)>>時(shí)，管內(nèi)熱阻將遠(yuǎn)遠(yuǎn)地小于管外熱阻，這時(shí)，的某些計(jì)算誤差將不會(huì)明顯地影響管外放熱系數(shù)的大小。
5．為了保證有足夠大的數(shù)值，一般實(shí)驗(yàn)管內(nèi)需采用蒸汽冷凝放熱的換熱方式。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，采用簡易熱管作為傳熱元件，將實(shí)驗(yàn)的翅片管，做成簡易熱管的冷凝段，即簡易熱管內(nèi)部的蒸汽在翅片管內(nèi)冷凝，放出汽化潛熱，透過管壁，傳出翅片管外，這就保證了翅片管內(nèi)的冷凝過程。這時(shí)，管內(nèi)放熱系數(shù)可用Nusselt層流膜層凝結(jié)原理公式進(jìn)行計(jì)算，即：
（8）
式中，（9）
為單位冷凝寬度上的凝液量（kg/s,m）,其中，r為汽化潛熱（J/kg），D_i為管子內(nèi)徑，式（8）中第2個(gè)括號(hào)中的物理量為凝液物性的阻合。
園筒壁的導(dǎo)熱熱阻為
（10）
應(yīng)當(dāng)注意，式（6）中的各項(xiàng)熱阻都是以光管外表面積基準(zhǔn)的。
實(shí) 驗(yàn) 設(shè) 備
實(shí)驗(yàn)的翅片管束安裝在一臺(tái)低速風(fēng)洞中——實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試儀表如圖1所示。試驗(yàn)由有機(jī)玻璃風(fēng)洞，加熱管件、風(fēng)機(jī)支架、測(cè)試儀表等六部分組成。
有機(jī)玻璃風(fēng)洞由帶整流隔柵的入口段，整流絲網(wǎng)、平穩(wěn)段、前測(cè)量段、工作段、后測(cè)量段、收縮段、測(cè)速段、擴(kuò)壓段等組成。工作段和前后測(cè)量段的內(nèi)部橫截面積為300mm×300mm。工作段的管束及固定管板可自由更換。
試驗(yàn)管件由兩部分組成；單純翅片管和帶翅片的試驗(yàn)簡易熱管，但外形尺寸是一樣的采用順排排列，翅片管束的幾何特點(diǎn)如表1所示。
 
表1

翅片管內(nèi)  徑	翅片管外  徑	翅片 高度	翅片 厚度	翅片 間距	橫向管間  距	縱向管間  距	管排數(shù)
Di	Do	H	δ	B	Pt	Pl	N
mm	mm	mm	mm	mm	mm	mm
20	25.5	9.75	0.2	2.7	75	80	5

4根簡易試驗(yàn)熱管組成一個(gè)橫排，可以放在任何一排的位置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。一般放在第3排的位置上，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，自第3排以后，各排的放熱系數(shù)基本保持不變了。所以，這樣測(cè)求的放熱指數(shù)代表第3排及以后各排管的平均放熱系數(shù)。
簡易試驗(yàn)熱管的加熱段由專門的電加熱器進(jìn)行加熱，電加熱器的電功率由電流、電壓表進(jìn)行測(cè)量。每一支熱管的內(nèi)部插入一支E型熱電偶用以測(cè)量熱管內(nèi)冷凝段的蒸汽溫度T_vo電加熱器熱的箱體上，也安裝一支熱電偶，用以確定箱體的散熱損失。熱電偶的電動(dòng)勢(shì)也可由UJ33a型電位差計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

圖1實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞系統(tǒng)簡圖
1.風(fēng)機(jī)支架 2.風(fēng)機(jī) 3.風(fēng)量調(diào)節(jié)手輪 4.過渡管 5.測(cè)壓管 6.測(cè)速段 7. 過渡管 8.管簇后測(cè)壓管 9.實(shí)驗(yàn)管段 10. 管簇前測(cè)壓管 11.吸入管 12.支架 13. 加熱元件 14.控制盤
空氣流的進(jìn)出口溫度由數(shù)顯表配熱電偶測(cè)量，也可用0.1℃的玻璃溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，入口處安裝一支，出口處可安裝兩支，以考慮出口截面上氣流溫度的不均勻性?？諝饬鹘?jīng)翅片管束的壓力降由斜傾式壓差計(jì)測(cè)量，管束前后的靜壓測(cè)孔都是4個(gè)，均布在前后測(cè)量段的壁面上?？諝饬鞯乃俣群土髁坑砂惭b在測(cè)速收縮段上的畢托管和傾斜式壓差計(jì)測(cè)量。
五、實(shí) 驗(yàn) 步 驟
1．熟悉實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)設(shè)備；
2．調(diào)試檢查測(cè)溫、測(cè)速、測(cè)熱等各儀表，使其處于良好工作狀態(tài)；
3．將四排加熱管上的接有熱電偶的上蓋拔出使其能夠冒氣即可。接通電加熱器電源，將電功率控制在2~3KW之間，加熱至四排加熱管均有水蒸氣冒出后，蓋上接有熱電偶的上蓋。開動(dòng)引風(fēng)機(jī)。
注意：
（1）. 蓋上接有熱電偶的上蓋時(shí)，不要讓水蒸汽湯著手！
（2）.引風(fēng)機(jī)需在空載或很小的開度下啟動(dòng)；
4．調(diào)整引風(fēng)機(jī)的閥門，來控制實(shí)驗(yàn)工況的空氣流速，一般，空氣風(fēng)速應(yīng)從小到大逐漸增加，實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)畢托管壓差讀值，可改變 6~7個(gè)風(fēng)速值，這樣，就有 6~7個(gè)實(shí)驗(yàn)工況；
5．在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)工況下，待確認(rèn)設(shè)備處于穩(wěn)定狀態(tài)后，進(jìn)行所有物理量的測(cè)量和記錄，將測(cè)量的數(shù)值記錄到予先準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)記錄表格中。
6．進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算和整理，將結(jié)果逐項(xiàng)記入數(shù)據(jù)整理表格中。在整理數(shù)據(jù)時(shí)，可以用手算程序，也可以用予先安排好的計(jì)算機(jī)程序。
7．對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論。
應(yīng)注意，當(dāng)所有工況的測(cè)量結(jié)束以后，應(yīng)先切斷電加熱器電源，待10分鐘后，再關(guān)停引風(fēng)機(jī)。
六、數(shù) 據(jù) 整 理
數(shù)據(jù)的整理可按下述步驟進(jìn)行：
1．算風(fēng)速和風(fēng)量
測(cè)量截積的風(fēng)速
（10）
其中：壓差mm水柱或kgf/m²
空氣密度ρ kg/m³
單位換算系數(shù)g=9.8
故得出速度的單位為m/s
風(fēng)量：Ma=U_測(cè)*F_測(cè)*ρ_測(cè)
其中：測(cè)量截面積F_測(cè)=0.3*0.3 m²，測(cè)量截面處的密度由出口空氣溫度T_a2確定。
2．空氣側(cè)吸熱量：
Q_l=M_a*C_pa*(T_a2-T_a1) （11）
3．電加熱器功率
Q₂=I*V
4．加熱器箱體散熱。因箱體溫度很低，散熱量小，可由自然對(duì)流計(jì)算
Q₃=α_c*F_b*(T_ω- T_o)  
此處，α_c為自然對(duì)流散熱系數(shù)，可近似取α_c=5w/m²•℃進(jìn)行計(jì)算；F箱為箱體散熱面積（實(shí)測(cè)），T_ω箱體溫度，T_o為環(huán)境溫度。
5．計(jì)算熱平衡誤差
                       （12）
6．計(jì)算翅片管束最窄流通截面處的流速和質(zhì)量流速
   m/s
    kg/m²·s
7．計(jì)算R_e數(shù)
 R_e=
8．計(jì)算傳熱系數(shù)　
℃                 （13）
9．計(jì)算管內(nèi)凝結(jié)液膜放熱系數(shù)
由式（8）進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于以水為工質(zhì)的熱管，液膜物性值都是管內(nèi)溫度T_v 的函數(shù)，因此，式（8）可簡化為：
         （14）
10．計(jì)算管壁熱阻，由式（9）計(jì)算
11．由式（6）計(jì)算管外放熱系數(shù)
12．計(jì)算
13．在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪關(guān)系曲線，并求出其系數(shù)和指數(shù)。也可由計(jì)算機(jī)程序求的回歸方程。
此外，空氣流過管束的阻力一般隨數(shù)的增加而急劇增加，同時(shí)，與流動(dòng)方向上的管排數(shù)成正比，一般用下式表示
　　                　?。?5）
式中：為摩擦系數(shù)，在幾何條件固定的條件下，它僅僅是數(shù)的函數(shù)，即
　　　　　　　　　　 　　　（16）
式（16）中的系數(shù)c和指數(shù)可由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上確定。一組實(shí)測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其整理結(jié)果如附錄I所示。
七、討    論
（一）測(cè)求的管外放熱系數(shù)包括了幾部分熱阻？
（二）所求實(shí)驗(yàn)公式的應(yīng)用條件和范圍是什么？應(yīng)用威爾遜方法需保證什么條件？
（三）每支實(shí)驗(yàn)熱管的管內(nèi)溫度不盡相同，這對(duì)放熱系數(shù)的精確性有何影響？
（四）分析實(shí)驗(yàn)誤差原因和改進(jìn)措施。
（五）通過實(shí)驗(yàn)，掌握了哪些實(shí)驗(yàn)技能？鞏固了哪些基本概念？
八、附    記
（一）本實(shí)驗(yàn)所需教學(xué)時(shí)數(shù)大約6學(xué)時(shí)。在進(jìn)行充分預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的條件下，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行約4學(xué)時(shí)，數(shù)據(jù)整理2學(xué)時(shí)。
（二）實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的基礎(chǔ)知識(shí)較多，易在課程的后期進(jìn)行安排。
（三）因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)元件都是可以更換的，可以滿足各種不同的實(shí)驗(yàn)要求，因而也適用于研究生的實(shí)驗(yàn)研究。也可為工業(yè)傳熱元件進(jìn)行性能標(biāo)定。
銅—鏮銅熱電偶溫度——豪伏對(duì)照表

	mV	mV	mV	mV	mV	mV	mV	mV	mV	mV
溫度	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	0.000	0.039	0,078	0.116	0.155	0.194	0.234	0.273	0.312	0.352
10	0.391	0.431	0.471	0.510	0.550	0.590	0.630	0.671	0.711	0.751
20	0.792	0.832	0.893	0.914	0.945	0.995	1.036	1.077	1.118	1.159
30	1.201	1.242	1.284	1.325	1.367	1.408	1.450	1.492	1.534	1.576
40	1.618	1.661	1.703	1.745	1.788	1.830	1.873	1.916	1.958	2.001
50	2.004	2.081	2.130	2.174	2.217	2.260	2.304	2.347	2.391	2.435
60	2.478	2.522	2.566	2.610	2.654	2.698	2.743	2.787	2.831	2.867
70	2.920	2.965	3.010	3.054	3.099	3.144	3.189	3.234	3.279	3.325
80	3.370	3.415	3.469	3.506	3.552	3.597	3.643	3.689	3.735	3.781
90	3.827	3.873	3.919	3.965	4.012	4.058	4.105	4.151	4.198	4.224
100	4.291	4.338	4.385	4.432	4.479	4.526	4.573	4.621	4.665	4.715
110	4.673	4.810	4.858	4.906	4.953	5.007	5.049	5.099	5.145	5.193
120	5.241	5.289	5.338	5.386	5.434	5.483	5.531	5.580	5.629	5.677
130	5.726	5.775	5.824	5.873	5.922	5.971	6.020	6.070	6.119	6.168
140	6.218	6.267	6.317	6.367	6.416	6.466	6.516	6.566	6.616	6.666
150	6.716	6.766	6,816	6.867	6.917	6.967	7.018	7.068	7.119	7.169
160	7,220	7.271	7.322	7.373	7.424	7.475	7.526	7.577	7.626	7.679
170	7.730	7.782	7.833	7.885	7.936	7.998	8.040	8.091	8.143	8.195
180	8.247	8.299	8.351	8.403	8.455	8.507	8.559	8.611	8.664	8.716
190	8.769	8.821	8.874	8.926	8.979	9.032	9.085	9.137	9.190	9.243
200	9.296	9.349	9.402	9.456	9.509	9.562	9.616	9.669	9.722	9.776
210	9.829	9.883	9.937	9.990	10.044	10.098	10.152	10.206	10.260	10.314
220	10.368	10.422	10.476	10.530	10.685	10.639	10.693	10.748	10.802	10.857
230	10.912	10.966	11.021	11.076	11.131	11.185	11.240	11.295	11.350	11.405
240	11.460	11.516	11.571	11.626	11.681	11.737	11.729	11.848	11.903	11.959
250	12.014	12.070	12.126	12.182	12.237	12.293	12.349	12.405	12.461	12.517
260	12.513	12.630	12.686	12.742	12.798	12.855	12.911	12.967	13.024	13.080
270	13.137	13.194	13.250	13.307	13.364	13.421	13.478	13.535	13.592	13.649

鎳鉻-銅鎳（鏮銅）熱電偶（E型）溫度-微伏對(duì)照表

	μV	μV	μV	μV	μV	μV	μV	μV	μV	μV
溫度	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	0	59	118	176	235	194	354	413	472	532
10	591	651	711	770	830	890	950	1010	1071	1131
20	1192	1252	1313	1373	1434	1495	1556	1617	1678	1740
30	1801	1862	1924	1986	2047	2109	2171	2233	2295	2357
40	2420	2482	2545	2607	2670	2733	2795	2858	2921	2984
50	3048	3111	3174	3238	3301	3365	3429	3492	3556	3620
60	3658	3749	3813	3877	3942	4006	4071	4136	4200	4265
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