平均换热系数的测定

1. 平均换热系数的测定

2. 一．目的意义 强制对流换热是工程实际中最常遇到的传热学问题，有着广泛的应用。并且，强制对流平均换热系数是设备换热效率的重要指标，因此，测定对流换热系数有着工程实际意义。 1．测定强制对流时空气横掠园管的平均换热系数α。 2．应用相似理论将实验结果整理成准则关系式，并在双对数坐标上绘出Nu - Re曲线。 3．了解实验的基本思想，加深应用模型试验方法解决工程实际中具体问题的认识。

3. 二．基本原理 “热对流”是指流体中温度不同的各部分相互混合的宏观运动所引起的热量传递现象。根据引起流体宏观运动的原因不同，可以把“热对流”分为自然对流换热和强制对流换热。严格地说，强制对流换热中不能排除自然对流换热的作用，只是因为它的影响远小于前者而不予考虑。 空气横掠单管时，在管外形成了较为复杂的园柱绕流流场，园柱面附近的流速、压强分布与来流情况有很大变化，致使园管断面上各点换热系数不同。本实验不考虑各局部位置的影响，仅给出园管的综合换热效果，即平均换热系数α。

4. 根据牛顿冷却定律，在稳态热流条件下 （10-1） 式中，α——平均换热系数，w/m2 .℃； Q ——单位时间放热量，W； tw , tf ——分别为壁面温度和气流温度，℃ ； A——放热管放热面积，m 2。

5. 应用相似理论研究强制对流换热问题，在几何相似的园管中及稳态热流条件下，换热规律可表述为 Nu = f ( Re , Pr ) （10-2） 式中， ——努谢尔特数（准则）。由于Nu数中含有换热系数，故又称无因次换热系数，表征对流换热的强烈程度； • ——雷诺数（准则）。是强制对流的一个重要的已定相似准则； • ——普朗特数（准则）。表征动量传递热 量传递的相似程度； • d ——放热管外径，m； • Λ——流体介质在定性温度tm下的导热系数，w/m.℃ • ——流体介质在定性温度tm下的运动粘度，m2/s； • a ——流体介质在定性温度tm下导温系数，m2/s。 • W ——流体介质的速度， m/s；

6. 其中，流体介质的定性温度 ℃ 对于空气介质，在温度变化不大时，Pr数值变化很小可视作常数（如在室温条件下， Pr≈0.7），准则关系式可简化为 Nu = f(Re) 通常把实验结果整理成幂函数的形式 Nu = C Rem（10-3） 式中c和m的值根据实验数据用最小二乘法确定。

7. 武汉理工大学*材料科学与工程学院 三．实验器材 测定装置见图10-1所示。 1．风源 ——箱式风洞，由风箱、风机、风门及试验段组成。 2．电源 ——提供直流低压大电流的硅整流器。 3．试件 ——四支外径不同、内部绝热、外覆不锈钢薄片的放热管，内壁焊有热电偶热端（铜 —康铜）。 4．流速测量仪表 ——毕托管、倾斜式微压计。 5．温度测量仪表 ——热电偶冷端、分压箱、电位差计、水银温度计。

9. 武汉理工大学*材料科学与工程学院 箱式风洞 箱式风洞由风箱、风机、风门及试验段组成。

10. 武汉理工大学*材料科学与工程学院 电位差计 温度测量仪表 ——由热电偶冷端、分压箱、电位差计、水银温度计进行组合

11. 武汉理工大学*材料科学与工程学院 倾斜式微压计 流速测量仪表 ——由毕托管、倾斜式微压计进行组合

12. 武汉理工大学*材料科学与工程学院 试 件 四支外径不同、内部绝热、外覆不锈钢薄片的放热管，内壁焊有热电偶的热端（铜 —康铜）

13. 四．测试步骤 武汉理工大学*材料科学与工程学院 • 1．在试验段上安装毕托管，使其开口正迎来流方向，并用胶管与微压计接通。微压计调平、调零。 • 2．接电源于试验段极片；将测定电源电压的导线接于分压箱相应接线柱上。 • 3．将试件插入试验段，冷端热电偶（铜-康铜）装在与毕托管相对应的位置，用导线实现热电偶冷，热端的串联，以测出温差（tw- tf）的热电势E（tw ,tf）。将导线接到分压箱相应接线柱上，进行电位差计的调试。 仪器配置与接线示意图

14. 放热管 1（粗） 2 3 4（细） 电流参考值（A） 25 20 16 12 武汉理工大学*材料科学与工程学院 • 4．关闭风门开启风机，打开风门至2或3挡，然后通电，调节电流至参考值。 电流参考值 注意 ：每组电源供 2 台设备 ，即有 2 只放热管 ， 所以电源的电流 按 上值加倍 。

15. 武汉理工大学*材料科学与工程学院 • 5．热稳定后（2-3分钟）测定并记录气流动压读数△h(mmH2O)；电压V1、电压V2、温差势电热E（tw ,tf）读数（均为mv）以及气流温度tf 。 • 6．调节风门，改变流速，重复步骤4 ，共测4组数据(风门调节，每次相差约 10 mmH2O )。 • 7．关闭电源，片刻后关闭风机，更换放热管(必须2只一起换,即一组实验做完后，必须等另一组做完后再停电。否则会烧坏放热管 )，重复步骤3、4、5 。 • 8．实验结束，关闭电源，片刻后关闭风机及风门，仪器仪表归位。

16. 五．实验结果处理 表10-1 实 验 数 据 记 录 表

17. 武汉理工大学*材料科学与工程学院 1 .计算流速、发热量、放热管壁温、温差（tw-tf）及平 均换热系数α，并将计算结果列于表10-2中。 ⑴ 流速w 对于气体流动，根据伯努利方程有 当△p用mmH2O表示时，由于1 mmH2O = 9.81 Pa ，所以流速计算公式可写为 式中ρ ——空气密度（温度为tf时），kg/m3 ； △h ——动压读数，mmH2O。

18. 武汉理工大学*材料科学与工程学院 ⑵ 试件工作段发热量Q Q = I U (w) 式中，I = 2 V2 ； A ——工作段电流。其中V2为工作电流通过标准电阻后的电压降mv值。 由于本实验装置两台并联共用，放热管相同时，可近似认为每台通过的工作电流相等，即： I = V2 (A) V = T × V1 × 10-3 式中 V ——工作段电压降。T为分压箱电压倍率，T = 201 。V1为工作段电压经分压箱后测得的mV值。

19. 武汉理工大学*材料科学与工程学院 • ⑶ 放热管壁温tw • 由于放热管是由很薄的不锈钢片制成（厚约0.2 mm），所以可认为钢片内外表面温度相等，壁温热电势可用下式计算： • E(tw ,0) = E( tw ,tf ) + E( tf ,0 ) • 式中右边第一项测量给出，第二项根据tf查分度表给出，算出E(tw ,0)，查出tw。再算出过余温度tw- tf。 • ⑷ 平均换热系数α (w / m2 ℃)

20. 武汉理工大学*材料科学与工程学院 • 2．用最小二乘法计算c、m值，给出准则公式。在双对数坐标纸上绘出Nu-Re曲线，并点绘出各实验点 • ⑴ 计算雷诺数和努谢尔特数，将计算结果列于表10-2中。 • ⑵ 通常把实验结果整理成幂函数的形式。 • 式中 系数c和指数m应用最小二乘法确定。对上式两边取对数 • 令LgNu = y , LgRe = x ，则有直线关系式 • y = a + m x • 根据最小二乘法，常数a、m按下列公式计算 • 式中　n为试验点数目。

21. 武汉理工大学*材料科学与工程学院 ⑶ 在双对数坐标纸上画出Nu - Re曲线，并点绘出各实验点 用Excel也可作图，用数据绘图结果如下。用Excel添加趋势线的方法，可以直接给出 Nu - Re 对应的方程。

22. 武汉理工大学*材料科学与工程学院 影响因素分析 1．本实验装置包括测风速和测温度两个系统。测风速系统使用一支毕托管测定风道内某一点处的风速。所以要求风道中各点处的风速均匀，否则测得的风速不具代表性，影响实验数据处理的准确。 2．本实验属稳定态传热，但由于加热系统没有稳压装置，所以换热管表面温度难免有些波动，对测量结果有较大的影响。 3．各种测试仪器在使用前必须进行校正以便保证测试结果的准确。

23. 武汉理工大学*材料科学与工程学院 • 思考题 • 1、如何从温差热电势E（tw , tf）算出放热管壁温tw和过余温度tw - tf ？ • 2、如何扩大实验范围 ？你有何设想 ？ • 主要参考文献 • [1] 孙晋涛，硅酸盐工业热工过程及设备（上册），建筑工 业出版社，1985年(第2版)。 • [2] 上海交大热工实验室，空气横掠单管时平均换热系数的测定。