空氣橫掠管束時(shí)的強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn)

1、空氣橫掠管束時(shí)的強(qiáng)迫對流傳熱實(shí)驗(yàn) 13級能動卓越 唐萍南 201323060314同組人員：方迅舟 潘捷 陳明松 摘要：對管束的排列方式、空氣來流速度的大小對換熱系數(shù)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。并根據(jù)最小二乘法等數(shù)據(jù)處理方法整理了使用本系統(tǒng)測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與討論。以圖表的形式清晰的表述了影響因素的不同帶來的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理緊湊、實(shí)驗(yàn)精度較高。通過此次實(shí)驗(yàn)，很好的幫助了學(xué)生了解換熱系數(shù)在空氣橫掠管束時(shí)的主要影響因素，對以后的學(xué)習(xí)以及工作中從事?lián)Q熱方面的研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：叉排，順排，換熱系數(shù)，來流速度目錄一.實(shí)驗(yàn)原理11.1管束排列方式對換熱系數(shù)的影響：11.2

2、來流速度對換熱系數(shù)的影響：2二 實(shí)驗(yàn)裝置及測量系統(tǒng)2三實(shí)驗(yàn)步驟3四 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算方法4五 試驗(yàn)結(jié)果分析65.1試驗(yàn)結(jié)果處理步驟（以50pa動壓順排方式為例）65.1來流速度對換熱系數(shù)的影響試驗(yàn)結(jié)果分析75.2管束排列方式對換熱系數(shù)的影響驗(yàn)結(jié)果分析9六.實(shí)驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)分析 11對流換熱是傳熱學(xué)中最基本、最重要的研究領(lǐng)域之一，流體橫掠管束管束時(shí)的對流換熱其換熱系數(shù)除受到管徑影響外，還受到管距、管排數(shù)和排列方式的影響。由于相鄰圓管的影響，流體在管間的流動截面交叉減少，流體在管間交替加減速，管距的大小影響流體流動截面的變化程度和流體加減速的程度，管束排列方式對換熱系數(shù)h的影響比較明顯。本文將從管

3、束的排列方式、空氣來流速度的大小對換熱系數(shù)的影響方面展開細(xì)致的討論。 一.實(shí)驗(yàn)原理 1.1管束排列方式對換熱系數(shù)的影響： 流體橫掠管束時(shí)的對流傳熱與橫掠單管時(shí)不同，除管徑影響傳熱系數(shù)外，管距，管排數(shù)和排列方式也影響對流傳熱系數(shù)。由于相鄰管子的影響，流體在管間的流動截面交叉的減少，流體在管間交替地加速和減速。管距地大小影響流體流動截面的變化程度和流體加速與減速的程度。 從第二排起，后排管子受第一排尾部渦流的的影響。在尾部渦旋的作用下，后排管子的對流傳熱系數(shù)h比前排高，也就是說，第二排管子受第一排尾部渦流的影響，h1h2；第三排管子受第二排尾部渦流的影響，而且由于這種渦流經(jīng)第一排和第二排管束的共同

4、作用，擾動更強(qiáng)烈，所以h3h2。同樣h4h3.，但經(jīng)過幾排管子以后擾動基本穩(wěn)定，hz幾乎不再變化。 管束排列方式對h的影響比較明顯。由圖1可見順排時(shí)后排管子直接位于前排管子的尾流中，部分管面沒有受到來流的直接沖刷，而叉排時(shí)后排管子受到前排管子間來流的直接沖刷，因而管子前半部分的傳熱情況要比順排好，整個(gè)叉排管束的平均對流傳熱系數(shù)比順排高。工程商大多數(shù)管束處于Re不大的情況下，符合上述情況。在Re較高時(shí)，由于順排管束尾部渦流增強(qiáng)，使后排管子受到尾流影響的面積增加，而且由于渦流增強(qiáng)，擾動更強(qiáng)烈，以致順排束的隊(duì)里傳熱系數(shù)可超高叉排管束。 1.2來流速度對換熱系數(shù)的影響： 在同一種管排方式下，當(dāng)空氣來流

5、速度不斷變化時(shí)，可以從圖一想象的到，空氣的渦流將更加的紊亂，擾動將愈加的強(qiáng)烈，這樣一來便可在相同的時(shí)間內(nèi)帶走更多的熱量，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)的變化。同時(shí)，可以從書上所給關(guān)聯(lián)式知道，努謝爾數(shù)與雷諾數(shù)成正比，而雷諾數(shù)與空氣來流速度成正比，由此可知空氣來流速度增加，換熱系數(shù)將增加。2 實(shí)驗(yàn)裝置及測量系統(tǒng) 三實(shí)驗(yàn)步驟1. 連接并檢查所有線路和設(shè)備，在儀表正常工作后，關(guān)閉直流供電電源！將交流供電源開關(guān)打開，調(diào)節(jié)旋鈕先轉(zhuǎn)至零位。2. 然后點(diǎn)擊變頻器的RUNSTOP鍵。根據(jù)需要調(diào)節(jié)變頻器和交流電調(diào)節(jié)旋鈕，注意觀察控制箱面板上的功率表，并準(zhǔn)不提高輸出功率，對管束緩慢加熱。為避免損壞配件，又能達(dá)到足夠的測溫準(zhǔn)確度，加熱

6、功率大小的調(diào)整以使壁面溫度控制在80以下為原則。帶設(shè)備參數(shù)穩(wěn)定后，可讀取第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3. 保持加熱功率不變，巡檢儀上各溫度顯示基本穩(wěn)定后，再將風(fēng)機(jī)頻率由050Hz定值遞增。每改變一次待穩(wěn)定后可測一組數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)對每一種排列的管子，空氣流速可調(diào)整5個(gè)工況以上，都必須保持加熱功率不變。溫度的高低應(yīng)根據(jù)管子排列不同及風(fēng)速大小適當(dāng)調(diào)整，保持管壁與空氣來流由適當(dāng)?shù)臏夭罴纯伞?. 同時(shí)觀察畢托管測速風(fēng)壓顯示。調(diào)壓，調(diào)頻應(yīng)配合調(diào)整直到系統(tǒng)穩(wěn)定并便于讀取溫度，風(fēng)壓，直流電源，直流電壓值4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算方法流體橫掠管束時(shí)的平均對流傳熱系數(shù)可按下式計(jì)算： Nuf = cRemPrn（Prf/Prw）k（S1/

7、S2）p CCz （1-1）式中：下腳標(biāo) 1. F表示定性溫度 ，按來流溫度計(jì)算?？諝鈦砹鳒囟?用水銀溫度計(jì)測量。 2. Pr普朗特?cái)?shù)，上式適用于0.7pr500。 3. S1橫向節(jié)距，m。 4. S2縱向節(jié)距，m。 5. Re以流體的平均溫度下管間的最大流速計(jì)算雷諾數(shù)。 6. Re=Uf，maxd/，其中u為流體的平均溫度下管間最大流速，m/s。 7. d0為管子外徑，m。 8. C，m，n，k，p系數(shù)和指數(shù)。 9. Cz管排修正系數(shù)。 10. CØ流體斜向沖刷管束時(shí)的修正系數(shù) 11. Uf，max的計(jì)算比較麻煩，如已知未進(jìn)入管束時(shí)的流體速度u0，則在流體入口溫度下的最大流速為：

8、順排時(shí)： Umax=U0S1/（S1d0） 差排時(shí)： Umax為U0S1/（S1d0）和U0S1/2（S2d0）中的最大者，其中S2=。 以叉排試件為例：采用十八根紫銅管排列，可先算出一根的換熱系數(shù)，管直徑D=10mm，管長為120mm。1. 空氣來流速度U U= 其中：P為畢托管測得空氣的動壓，Pa 為空氣密度2.管壁溫度t 由銅-康銅熱電偶測得的熱電勢E（t1,tf），可按附錄A確定內(nèi)壁溫度t1。 實(shí)驗(yàn)中，由裝在內(nèi)壁的熱電偶測量溫度，直接由巡檢儀讀出。由于試驗(yàn)管為內(nèi)有內(nèi)熱源的圓筒形壁，切內(nèi)壁絕熱，因此，內(nèi)壁溫度t1大于外壁溫度tw（根據(jù)關(guān)內(nèi)溫度可以計(jì)算出外壁溫度tw），由于所用管壁很薄，僅

9、0.2-0.3mm，切空氣對外管的換熱系數(shù)很小，可近似認(rèn)為tw=t1。3.加載試驗(yàn)管兩端的電功率 由控制面板上的功率表顯示。顯示功率為總加熱功率，每一根加熱管功率Q可由總功率除以加熱管根數(shù)獲得。4. 氣流過管外壁時(shí)的平均換熱系數(shù) =Q/（A（tw-tf） W/（m·）其中：A為試驗(yàn)管外表面積5. 換熱準(zhǔn)則方程式 將甲酸得到的某一流速下的每一根加熱管的對流傳熱系數(shù)求和，再除以總根數(shù)，可得到管排的平均對流傳熱系數(shù)。十八根管子的平均換熱系數(shù)： = 根據(jù)每一試驗(yàn)工況所測得的值，可計(jì)算出相應(yīng)的Nu和Re值。在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上，以Nu為縱軸，Re為橫軸，將各工況點(diǎn)標(biāo)出，他們的規(guī)律可近似地用一直線表

10、示： 即IgNu=+IgRe 則Nu和Re之間的關(guān)系可近似的表示為一指數(shù)方程的形似： 其中=IgC 如果用X=IgRe，y=IgNu，則可表示成y=+mx 根據(jù)最小二乘法于艷麗，系數(shù)及m可按下式計(jì)算：a=(xyx-yx2)/(x)2-nx2)m=(xy-nxy)/(x)2-nx2)其中：n為試驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)目 Xy=（IgRe）（IgNu） 在計(jì)算Nu及Re所用到的空氣物性參數(shù)，v，以來流溫度為定性溫度，查有關(guān)表格。5 試驗(yàn)結(jié)果分析5.1試驗(yàn)結(jié)果處理步驟（以50pa動壓順排方式為例）1.計(jì)算空氣來流速度 通過皮托管測量動壓間接測量出來流速度，其關(guān)系換算式如下： u2=2*9.81*P/ 。 由測量數(shù)

11、據(jù)：=1.2176 Kg/m³ ，初壓p=15pa，動壓p=50pa，P=35pa， 代入上式，得來流速度u0=23.75m/s。2.計(jì)算Uf，max。 由之前說明，可知，此組數(shù)據(jù)為順排，計(jì)算公式應(yīng)該如下：Uf，max=U0S1/（S1d0），S1=20mm，s2=20mm，d0=10mm，代入數(shù)據(jù)Uf，max=47.5m/s3.計(jì)算雷諾數(shù) 雷諾數(shù)的計(jì)算公式Re=Uf，maxd/， d為10mm，u=23.75m/s， 初溫17 運(yùn)動粘度v=0.00001416 代入計(jì)算可知，Re=33545.204.初步得出關(guān)聯(lián)式（得出C，m，n，k） 由書上查表可知，計(jì)算出來的雷諾數(shù)屬于（103

12、，2*105）,即使用公式6-31c，參考公式1-1，可知，c=0.27，m=0.63，n=0.36，k=0.25，即Nuf = 0.27Re0.63Pr0.36（Prf/Prw）0.25（S1/S2）p C 已知 S1/S2=1 管排修正系數(shù)C=0.910 最后可得，50pa動壓順排方式努謝爾數(shù)為146.21，其余計(jì)算結(jié)果見附表一。 5.1來流速度對換熱系數(shù)的影響試驗(yàn)結(jié)果分析 在保證管束排列方式（差排以及順排）一定的情況下，室溫保持17，加熱功率為110w，定值增加風(fēng)機(jī)的頻率，探究來流速度對換熱系數(shù)的影響并作出了圖表如下：由以上兩幅圖可以看出管束叉排時(shí)，當(dāng)加熱功率Q保持不變，換熱系數(shù)hx隨著

13、風(fēng)壓P的增大而增大。管束順排時(shí)，當(dāng)加熱功率Q保持不變，換熱系數(shù)hx隨著風(fēng)壓P的增大而增大。兩圖中五條曲線除個(gè)別誤差比較大的數(shù)據(jù)以外基本保持平行，說明無論是順排還是叉排，Q不變時(shí)，P不會影響換熱系數(shù)在管束中的改變趨勢。 5.2管束排列方式對換熱系數(shù)的影響驗(yàn)結(jié)果分析在室溫17，熱功率為110w的參數(shù)環(huán)境下，取5個(gè)不同動壓參數(shù)下，分別試驗(yàn)得到不同管束排列方式下?lián)Q熱系數(shù)，探究管束排列方式對換熱系數(shù)的影響并做出了圖表如下。   由以上五個(gè)圖可以看出，除了第三個(gè)測點(diǎn)處圓管以外，在相同工況的條件下，叉排管束的換熱系數(shù)比順排的高，說明叉排的換熱效果比順排的好，原因可能是由于換熱管束的約束，叉排熱交換

14、器管后漩渦比順排熱交換器后渦旋大很多，所以叉排換熱器的換熱能力高于順排換熱器。而且由表格數(shù)據(jù)可以知道在不同風(fēng)壓下h順排平均h叉排平均都是成立的，由此可以再次證實(shí)叉排比順排的換熱能力更強(qiáng)。  通過比較空氣在叉排管束和順排管束中的最大速度可以看出，風(fēng)壓P和單管功率Q相同時(shí)， V順排V叉排，所以說，空氣橫掠叉排管束時(shí)阻力比較大。因此，在高速度的空氣特別是固液、氣固兩相流體沖刷時(shí)可能會對管束造成損害，影響傳熱效率與安全因素。  一般來說，換熱器的管束排列形式一般都是叉排，順排非常少見。由于順排形式的套片式換熱器通常比叉排的流動阻力更小，因而對一些流動阻力有限制的場合，可以考慮使用順排形式的套片式換熱器 六.實(shí)驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)分析  該實(shí)驗(yàn)在相似原理(在極大程度上降低了實(shí)驗(yàn)重復(fù)的次數(shù)）的指導(dǎo)之下，結(jié)合控制變量法研究了通入空氣的流速