实验2 空气横掠单管强迫对流的换热实验

热交换器中广泛使用各种管子作为传热元件，其外侧通常为流体横向掠过管子的强制对流换热方式，因此测定流体横向掠过管子时的平均换热系数是传热中的基本实验。本实验是测定空气横向掠过单圆管时代平均换热系数。 一、实验目的及要求

1、了解实验装置，熟悉空气流速及管壁的测量方法，掌握测试仪器、仪表的使用方法。

2、通过对实验数据的综合、整理，掌握强制对流换热实验数据整理的方法。

3、实验测定空气横掠单管时的平均换热系数；了解空气横掠管子时的换热规律。、 二、实验原理

1. 根据牛顿冷却公式：

Q?hF(tw?tf) (W) (6-2-1) 得

h?QF(tw?tf)

(W/m2?℃) (6-2-2)

式中 Q—对流换热的热流，[W]； h—对流换热系数，[W/m2?℃]； F—与流体接触的物体表面面积，[m2]； tf—流体平均温度，[℃]； tw—物体表面温度，[℃]。

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本实验采用电加热的放热圆管，空气外掠圆管表面，当换热稳定时，测出加热电功率，即可得出对流换热热流Q，即： Q?IU (W) (6-2-3) 2. 根据对流换热的分析，强制对流稳定时的换热规律可用下列准则关系式来表示：

Nu?f(Re,Pr) (6-2-4)

对于空气，因温度变化范围不大，上式中的普朗特数Pr变化很小，可作为常数看待，故式(6-2-4)化简为：

Nu?f(Re) (6-2-4a) Nu?hD式中 努谢尔特数 雷诺数

?

vDRe??

h—空气横掠单管时的平均换热系数，[W/m2?℃]； v—空气来流速度，[m/s]； D—定型尺寸，取管子外径，[m]； ?—空气的导热系数，[W/m?℃]； ?—空气的运动粘度，[m2/s]。

要通过实验确定空气横掠单圆管时的Nu与Re的关系，就需要测定不同流速v及不同管子直径D时换热系数h的变化。因此，本实验中要测量的基本量为管子所处的空气流速v、空气温度tf、管子表面温度tw及管子表面散出的热量Q。 三、实验装置及测量系统

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实验装置本体是由一风源和试验段构成。 风源为一箱式风洞，风机、稳压箱、收缩口都设置在工作台内。风箱中央为空气出风口，形成均匀流速的空气射流。试验段的风道直接放置在出风口上。风道内的空气流量由变频器19来调节，可以改变实验段风道中空气流速。

图4-1为测定空气横掠单管平均换热系数的试验段简图。

1、电源开关 2、仪表开关 3、交流供电开关 4、交流调压旋钮 5、直流大功率电源 6、差压表 7、交流功率表 8、电流表 9、电压表 10、十六路温度巡检仪 11、四路温度巡检仪 12、毕托管 13、风道 14、单管试件15、供电电极 16、热电偶（测管壁温）17、热电偶（测来流温）18、分流器 19、变频器

实验段风道13由有机玻璃制成。试验件14为不锈钢薄壁管，横

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置于风道中间。为了保证管子加热测量及管壁温度测量的准确性，管子用低压直流电直接通电加热，管子两端经接座与电源导板15连接，并易于更换不同直径的试验管。为了准确测定试验管上的加热功率，在离管端一定距离处有两个电压测点a、b，以排除管子两端的影响。铜-康铜电偶16设在管内，在绝热条件下准确测出管内壁温度，从而确定管外壁温度。

试验管加热用的低压大功率直流电源5供给，输出电流（压）可改变对管子的加热功率，电路中串联一标准电阻18。用直流电压表9测量电阻18上的电压降，然后确定流过单管试件的电流量。试件两测压点a、b间的电压亦用直流电压表测量。

为了简化测量系统，测量管内壁温度tw的热电偶，其参考点温度不是摄氏零度，而是来流空气温度tf。即热电偶的热端16设在管内，冷端17则放在风道空气中。所以热电偶反映的为管内壁温度与空气温度之差（tw-tf）。

风道上装有比托管12，通过差压变送器由压力表直接读数，测出试验段气流的动压△P，以确定试验段中气流的速度v。 四、实验步骤

（1）连接并检查所有线路和设备，合上背板上的空气开关，打开电源、仪表开关。此时交流供电开关应处于关闭状态！打开实验台右侧的变频器开关，调节风机频率到50Hz即最大风量观察毕托管测定风压值。

（2）打开大功率直流电源，将电流（压）调节旋钮旋至输出电

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