1、空氣橫掠單管強迫對流的換熱實驗熱交換器中廣泛使用各種管子作為傳熱元件，其外側通常為流 體橫向掠過管子的強制對流換熱方式，因此測定流體橫向掠過管子時 的平均換熱系數是傳熱中的基本實驗。本實驗是測定空氣橫向掠過單 圓管時代平均換熱系數。一、實驗目的及要求1、了解實驗裝置，熟悉空氣流速及管壁的測量方法，掌握測試儀器、 儀表的使用方法。2、通過對實驗數據的綜合、整理，掌握強制對流換熱實驗數據整理 的方法。3、實驗測定空氣橫掠單管時的平均換熱系數；了解空氣橫掠管子時 的換熱規律。、二、實驗原理根據牛頓冷卻公式：Q =據七七)(W)(6-2-1)得h = QF W)(W/m2.C)(6-2-2)式中Q 一

2、對流換熱的熱流，W；h 一對流換熱系數，W/m2C；f 一與流體接觸的物體表面面積，m2； 一流體平均溫度，C；匕一物體表面溫度，C。本實驗采用電加熱的放熱圓管，空氣外掠圓管表面，當換熱穩定時，測出加熱電功率，即可得出對流換熱熱流Q，即：Q = IU(W)(6-2-3)根據對流換熱的分析，強制對流穩定時的換熱規律可用下列準則關系式來表示：Nu = f (Re,Pr)(6-2-4)對于空氣，因溫度變化范圍不大，上式中的普朗特數Pr變化很小，可作為常數看待，故式(6-2-4 )化簡為：Nu = f (Re)(6-2-4a)式中努謝爾特數*=牛雷諾數h 一空氣橫掠單管時的平均換熱系數，W/mkC；v

3、 空氣來流速度，m/s；D一定型尺寸，取管子外徑，m；人一空氣的導熱系數，W/mC；V 一空氣的運動粘度，m2/s。要通過實驗確定空氣橫掠單圓管時的Nu與Re的關系，就需要 測定不同流速v及不同管子直徑D時換熱系數h的變化。因此，本實 驗中要測量的基本量為管子所處的空氣流速V、空氣溫度，f、管子表 面溫度婦及管子表面散出的熱量。三、實驗裝置及測量系統實驗裝置本體是由一風源和試驗段構成。風源為一箱式風洞，風 機、穩壓箱、收縮口都設置在工作臺內。風箱中央為空氣出風口，形 成均勻流速的空氣射流。試驗段的風道直接放置在出風口上。風道內 的空氣流量由變頻器19來調節，可以改變實驗段風道中空氣流速。圖4-

4、1為測定空氣橫掠單管平均換熱系數的試驗段簡圖。1、電源開關2、儀表開關3、交流供電開關4、交流調壓旋鈕5、 直流大功率電源6、差壓表7、交流功率表8、電流表9、電壓表10、 十六路溫度巡檢儀11、四路溫度巡檢儀12、畢托管13、風道14、 單管試件15、供電電極16、熱電偶（測管壁溫）17、熱電偶（測來 流溫）18、分流器19、變頻器實驗段風道13由有機玻璃制成。試驗件14為不銹鋼薄壁管，橫 置于風道中間。為了保證管子加熱測量及管壁溫度測量的準確性，管 子用低壓直流電直接通電加熱，管子兩端經接座與電源導板15連接， 并易于更換不同直徑的試驗管。為了準確測定試驗管上的加熱功率， 在離管端一定距離

5、處有兩個電壓測點a、b，以排除管子兩端的影響。 銅-康銅電偶16設在管內，在絕熱條件下準確測出管內壁溫度，從而 確定管外壁溫度。試驗管加熱用的低壓大功率直流電源5供給，輸出電流（壓）可改變 對管子的加熱功率，電路中串聯一標準電阻18。用直流電壓表9測 量電阻18上的電壓降，然后確定流過單管試件的電流量。試件兩測 壓點a、b間的電壓亦用直流電壓表測量。為了簡化測量系統，測量管內壁溫度七的熱電偶，其參考點溫度不是 攝氏零度，而是來流空氣溫度tf。即熱電偶的熱端16設在管內，冷 端17則放在風道空氣中。所以熱電偶反映的為管內壁溫度與空氣溫 度之差（tw-tf）。風道上裝有比托管12，通過差壓變送器由

6、壓力表直接讀數，測出試 驗段氣流的動壓P，以確定試驗段中氣流的速度v。四、實驗步驟（1）連接并檢查所有線路和設備，合上背板上的空氣開關，打 開電源、儀表開關。此時交流供電開關應處于關閉狀態！打開實驗臺 右側的變頻器開關，調節風機頻率到50Hz即最大風量觀察畢托管測 定風壓值。（2）打開大功率直流電源，將電流（壓）調節旋鈕旋至輸出電 流為20-25A。(注意：穩壓電源提供的是恒流源。對試件的加熱量主 要看供給的電流大小，儀表會同時顯示其輸出電壓值。)穩定后即可 測量各有關數據。保持加熱功率不變，風機頻率減小，穩定后又可測到一組數 據。試驗時對每一種直徑的管子，空氣流速可調整8個工況。加熱電 流(

7、壓)保持不變，亦可根據管子直徑及風速大小適當調整，保持管 壁與空氣中有適當的溫差。每調整一個工況，須待壓力表，熱電偶讀 數等穩定后方能測量各有關數據。五、實驗數據的計算與整理試驗用二根不銹鋼管：直徑D=4.0mm和6.3mm范圍，管長為200 mm，測壓點ab間距 約 100mm空氣的來流速度v根據伯努力方程，畢托管所測得的氣流動壓AP(N/m2)與氣流速 度v (m/s)的關系：AP = p v 22(Pa)(6-2-5)2 x-Apv = p (m/s)(6-2-6)式中p為空氣的密度(kg/m3)，由空氣溫度七查表確定。2、管壁溫度tw由銅-康銅熱電偶測得，試驗管為有內熱源的圓筒形壁，且

8、內壁 絕熱，因此，內壁溫度t1大于外壁溫度tw。由于所用管壁很薄，僅0.2-0.3mm,且空氣對外管的換熱系數較小，可足夠確認的認為tw= t1。3、試驗管工作段ab間的發熱量QQ = IUW (6-2-7)4 、空氣流過管外壁時的平均換熱系數h = QW/(mC)(6-2-8)A(t -1$)其中：A-電壓測點ab間試驗管的外表面積 5.換熱準則方程式根據每一實驗工況所測得的數值可計算出相應的Nu值及Re值， 然后，在雙對數坐標紙上，以Nu為縱軸，Re為橫軸，將各工況點描 出，它們的規律可近似地用一直線表示，即：(6-2-9)lg Nu = a + m lg Re則Nu和Re之間的關系可近似

9、表示為一指數方程的形式:Nu = C Re m(6-2-10)其中 a = lg C如用尤TgRe， TgNu，上式則可表示為:(6-2-11)根據最小二乘法原理，系數a及m可按下式計算:(6-2-12) xj x-Z j x 2 a =(x)2 - nx2 x j - n xj m = (6-2-13)( x )2 一 n x 2式中：n 一實驗點的數目;xj = (lgRe)(lg Nu)；x 2 二(lg Re)2在計算Nu及Re時所用的空氣導熱系數人、運動粘度v，可根據t =七+氣邊界層的平均溫度作為七2作為定性溫度查表。六、實驗報告要求在雙對數坐標紙上描繪出各實驗點，并用最小二乘法求

10、出強迫對 流換熱的準則方程式；將實驗結果與有關參考書給出的空氣橫掠單管時換熱的準則方 程式和曲線圖進行比較；對實驗結果進行分析與討論。七思考題1結合實驗數據，分析對流換熱系數和風速的關系。2測試得到的準則方程式與理論公式誤差產生的原因。八、注意事項1、首先了解試驗裝置的各個組成部分，并熟悉儀表的使用，以免損 壞儀器。2、為確保管壁溫度不至超出允許的范圍，啟動及工況改變時都必須 注意操作順序。啟動電源之前，先將電源調節旋鈕轉至零位：3、啟動時必須先開風機，調整風速，然后對試驗管通電加熱，并調 整到要求的工況。注意電流表上的讀數，不允許超出工作電流參考值。試驗完畢時，必須先關加熱電源，待試件冷卻后

11、，再關風機。4電流極限值27安加熱管壁溫不能超過100C，皮托管壓差 不能小于25kPa表W空氣的鈿性溫度密度定壓比然導熱系數粘度運動粘度kgftrPkJ/kgTLWmK1會P1 DMns-501.5481.0130.020414.69 231 5151.01 aU.U212心10-04321.4531.2130.022C15.710.0D-201.3951.0090.02231&.212791Q1.3421 0090.023612.4301.2931 005U.0244TU13.20101.2471 005U.025117.714/6201.2D51.0050.025918/15.D6301.1651.0050.02671-3.616.00如1.1201 OT50.02761玖1伯所501.D931 0050.028319.617.95601.D6D1 00