1、實驗翅片管束管外放熱和阻力實驗實驗指導書一、實驗目的1 .了解熱工實驗的基本方法和特點；2 .學會翅片管束管外放熱和阻力的實驗研究方法；3 .鞏固和運用傳熱學課堂講授的基本概念和基本知識;4 .培養(yǎng)學生獨立進行科研實驗的能力。實驗內(nèi)容1 .熟練實驗原理和實驗裝置，學習正確使用測溫度、測壓差、測流速、測熱量等儀表。2 .正確安排實驗，測取管外放熱和阻力的有關實驗數(shù)據(jù)。3 .用威爾遜方法整理實驗數(shù)據(jù)，求得管外放熱系數(shù)的無因次關聯(lián)式，同時,也將阻力數(shù)據(jù)整理成無因次關聯(lián)式的形式。4 .對實驗設備，實驗原理，實驗方案和實驗結果進行分析和討論。三、實驗原理1 .翅片管是換熱器中常用的一種傳熱元件，由于擴展

2、了管外傳熱面積，故可使光管的傳熱熱阻大大下降，特別適用于氣體側換熱的場合。2 .空氣(氣體)橫向流過翅片管束時的對流放熱系數(shù)除了與空氣流速及物性有關以外，還與翅片管束的一系列幾何因素有關，其無因次函數(shù)關系可表示如下：N=f(Re、Pr、H、星旦、且、N)DoDoDoDoDo式中：N=?Do為Nusselt數(shù);Do?UmDo?GmR=_om=-om為Renolds數(shù);Pr=_=C2_為Prandtl數(shù);H、6、B分別為翅片高度、厚度、和翅片間距；Pt、P為翅片管的橫向管間距和縱向管間距；N為流動方向的管排數(shù)；Do為光管外徑，U、G為最窄流通截面處的空氣流速(m/s)和質(zhì)量流速(kg/m2s)且G

3、m=U?m)入、p、11>y>a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，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)會高于順流的情況。對于特定的翅片管束，其幾何因素都是固定不變的，這時，式（1）可簡化為：NU=f（R、Pr）（2）對于空氣，P數(shù)可看作常數(shù)，故N=f（R）（3）式（3）可表示成指數(shù)方程的形式N=CRn（4）式中，Gn為實驗關聯(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，為了在實驗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)進行實驗并對實驗數(shù)據(jù)進行綜合整理。3 .對于翅片管，管外放熱系

4、數(shù)可以有不同的定義公式，可以以光管外表面為基準定義放熱系數(shù)，也可以以翅片管外表面積為基準定義。為了研究方便，此處采用光管外表面積作為基準，即：Qn?Do?L(TwoTa)（5）式中：Q為總放熱量，（W,n為放熱管子的根數(shù)，冗D0L為一支管的光管換熱面積（m2）,Ta為空氣平均溫度（C）,Two為光管外壁溫度（C），此處，a的單位為（w/nQC）。4.如何測求翅片管束平均管外放熱系數(shù)a是實驗的關鍵。如果直接由式（5）來測求a,勢必要測量管壁平均溫度Two,這是一件很困難的任務。采用一種工程上更通用的方法，即：威爾遜方法測求管外放熱系數(shù)，這一方法的要點是先測求出傳熱系數(shù)，然后從傳熱阻中減去已知的各

5、項熱阻，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)，可由實驗求出Qn?Do?L?(TvT)其中：Tv代表管內(nèi)流體的平均溫度。ai是管內(nèi)流體對管內(nèi)壁的放熱系數(shù)，可由已知的傳熱規(guī)律計算出來；RW由管壁的導熱公式計算之。應當指出，當管內(nèi)放熱系數(shù)a>>a時，管內(nèi)熱阻工將遠遠地小于管外熱阻1,、，.，r這時，ai的某些計算誤差將不會明顯地影響管外放熱系數(shù)a的大小。5.為了保證ai有足夠大的數(shù)值，一般實驗管內(nèi)需采用蒸汽冷凝放熱的換熱方式。本實驗系統(tǒng)中，采用熱管作為傳熱元件，將實驗的翅片管，做成熱管的冷凝段，即熱管內(nèi)部的蒸汽在翅片管內(nèi)冷凝，放出汽化潛熱，透過管壁，傳

6、出翅片管外，這就保證了翅片管內(nèi)的冷凝過程。這時，管內(nèi)放熱系數(shù)ai可用Nusselt層流膜層凝結原理公式進行計算，即：4:32g1i1.88（一）«-）3（8）式中，Q（9）rnDi為單位冷凝寬度上的凝液量（kg/sgm），其中，r為汽化潛熱（J/kg）,D為管子內(nèi)徑，式（8）中第2個括號中的物理量為凝液物性的阻合。圓筒壁的導熱熱阻為Rw-D±lnDom2lC/w2wDi（10）應當注意，式（6）中的各項熱阻都是以光管外表面積基準的。四、實驗設備實驗的翅片管束安裝在一臺低速風洞中一一實驗裝置和測試儀表如圖1所示。試驗由有機玻璃風洞，加熱管件、風機支架、測試儀表等六部分組成。有

7、機玻璃風洞由帶整流隔柵的入口段，整流絲網(wǎng)、平穩(wěn)段、前測量段、工作段、后測量段、收縮段、測速段、擴壓段等組成。工作段和前后測量段的內(nèi)部橫截面積為300m忤300mm工作段的管束及固定管板可自由更換。試驗管件由兩部分組成；單純翅片管和帶翅片的試驗熱管，但外形尺寸是一樣的采用順排排列，翅片管束的幾何特點如表1所示。4根試驗熱管組成一個橫排，可以放在任何一排的位置上進行實驗。一般放在第3排的位置上，因為實驗數(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)。試驗熱管的加熱段由專門的電加熱器進行加熱，電加熱器的電功率由電流、電壓表進行測量。

8、每一支熱管的內(nèi)部插入一支銅糠銅熱電偶用以測量熱管內(nèi)冷凝段的蒸汽溫度表1翅翅翅翅翅橫縱管片片片片片向向排管管高厚間管管數(shù)內(nèi)外間間徑徑度度距距距DiDoH8BPtPiNmmmmmmmmmmmmmm2026131475837TV。，電加熱的箱體上，也安裝一支熱電偶，用以確定箱體的散熱損失。偶的電動勢由UI60型電位量計進行測量。網(wǎng)電圖1實驗風洞系統(tǒng)簡圖1.風機支架2.風機3.風量調(diào)節(jié)手輪4.過渡管5.測壓管6.測速段7.過渡管8.測壓管9.實驗管段10.測壓管11.吸入管12.支架13.加熱元件14.控制盤空氣流的進出口溫度由刻度為0.1C的玻璃溫度計進行測量，入口處安裝一支，出口處可安裝兩支，以考

9、慮出口截面上氣流溫度的不均勻性。空氣流經(jīng)翅片管束的壓力降由傾斜式壓力計測量，管束前后的靜壓側孔都是12個，均布在前后測量段的壁面上。空氣流的速度和流量由安裝在收縮段上的畢托管和傾斜式壓差計測量。五、實驗步驟1 .熟悉實驗原理，實驗設備；2 .調(diào)試檢查測溫、測速、測熱等各儀表，使其處于良好工作狀態(tài)；3 .接通電加熱器電源，將電功率控制在23KW之間，預熱510分鐘后，開動引風機，注意到引風機需在空載或很小的開度下啟動；4 .調(diào)整引風機的閥門，來控制實驗工況的空氣流速，一般，空氣風速應從小到大逐漸增加，實驗中，根據(jù)畢托管壓差讀值，可改變67個風速值，這樣，就有67個實驗工況；5 .在每一個實驗工況

10、下，待確認設備處于穩(wěn)定狀態(tài)后，進行所有物理量的測量和記錄，將測量的量整齊地記收預先準備好的數(shù)據(jù)記錄表格中。6 .進行實驗數(shù)據(jù)的計算和整理，將結果逐項記入數(shù)據(jù)整理表格中。在整理數(shù)據(jù)時，可以用手算程序，也可以用預先安排好的計算機程序。7 .對實驗結果進行分析和討論。應注意，當所有工況的測量結束以后，應先切斷電加熱器電源，待10分鐘后，再關停引風機。六、數(shù)據(jù)整理數(shù)據(jù)的整理可按下述步驟進行:1、計算風速和風量測量截面積的風速(10)其中：壓差hPa(mmK柱或kgf/m2)空氣密度Pkg/m3單位換算系數(shù)g=9.8kg ? m2kgf ?s2故得出速度的單位為m/s風量：Ma=F測p測其中：測量截面積

11、&=0.0750.3m：測量截面處的密度由出口空氣溫度Ta2確定。2 .空氣側吸熱量:3 .電加熱器功率Q = MCpa(Ta2-Ta1)Q2=IU(11)4 .加熱器箱體散熱。因箱體溫度很低，散熱量小，可由自然對流計算Q二民cFb(Tu- T 0)此處，ac為自然對流散熱系數(shù)，可近似取ac=5w/R?C進行計算；F箱為箱體散熱面積，匕箱體溫度，To為環(huán)境溫度。5.計算熱平衡誤差DQQi(Q2Q3)dQ(12)6 .計算翅片管束最窄流通截面處的流速和質(zhì)量流速U測F測，Um-m/sF窄2GmUmkg/ms7 .計算R數(shù)DoGmRe二8 .計算傳熱系數(shù)Q,2，.一Kw/m?C(13)n?Do?L(TvTa)9 .計算管內(nèi)凝結液膜放熱系數(shù)由式(8)進行計算，對于以水為工質(zhì)的熱管，液膜物性值都是管內(nèi)溫度Tv的函數(shù)，因此，式(8)可簡化為：Q-al(2456233404Tv9.677Tv2)()3(14)nDi10 .計算管壁熱阻，由式(9)計算11 .由式(6)計算管外放熱系數(shù)12 .計算Nu皿13 .在雙對數(shù)坐標紙上標繪NuRe關系曲線，并求出其系數(shù)和指數(shù)。也可由計算機程序求NuRe的