水平圓管外表面空氣自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)

1、水平圓管外表面空氣對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)李剛 2007010526 精72一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)1、 測(cè)定水平圓管加熱時(shí)周圍空氣自然對(duì)流換熱平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h。2、 根據(jù)自然對(duì)流放熱過程的相似分析，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成準(zhǔn)則方程式。3、 通過實(shí)驗(yàn)加深對(duì)相似理論基本內(nèi)容的理解。二、 實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)相似理論，空氣沿水平管外表面自然對(duì)流時(shí)，一般可以得到如下指數(shù)形式的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式：式中，Nu，努謝爾特準(zhǔn)則：Gr，格拉曉夫準(zhǔn)則：Pr，普朗特準(zhǔn)則，是溫度的函數(shù)。C和n均為常數(shù)。我們的任務(wù)就是通過實(shí)驗(yàn)確定式中的這兩個(gè)常數(shù)。在準(zhǔn)則式中，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，運(yùn)動(dòng)粘度v，以及普朗特準(zhǔn)則數(shù)Pr可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)管壁溫度tw和環(huán)境溫度tf的平均值t

2、m，查表得到?？諝獾娜莘e膨脹系數(shù)取理想氣體的膨脹系數(shù)，=1/Tm。g是重力加速度，D是管子直徑，t是遠(yuǎn)離管壁的空氣溫度差，t=tw-tf。由對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的定義：式中，為水平管外表面與周圍空氣之間的對(duì)流換熱量，水平管的外表面積, L為水平管的有效長(zhǎng)度。在氣體中的對(duì)流換熱，不可避免的會(huì)伴隨有熱壁面與周圍環(huán)境的輻射換熱，因此，則管的實(shí)際傳出熱量為對(duì)流換熱和輻射換熱熱量之和：式中，為實(shí)驗(yàn)管外表面的黑度，黑體輻射系數(shù)CO=5.67W·m-2·K-4。這里假設(shè)環(huán)境溫度為空氣溫度。于是，水平管外表面對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)就可以由下式確定：2 / 7上式中，對(duì)給定外徑D和長(zhǎng)度L表面

3、黑度確定的水平實(shí)驗(yàn)管，只要測(cè)定管的實(shí)際傳出熱量Q，管外壁溫tw，遠(yuǎn)離壁面約1m處空氣溫度tf，就可以確定水平管外表面對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h。要確定C和n，還要求實(shí)驗(yàn)的Nu-GrPr的數(shù)據(jù)足夠多，GrPr的變化范圍足夠大。三、 數(shù)據(jù)處理原始數(shù)據(jù)如下所示：圓管編號(hào)：2直徑D=38.0mm，長(zhǎng)度L=1190mm，表面黑度=0.08，標(biāo)準(zhǔn)電阻R=0.01次序tft1/mVt2/mVt3/mVt4/mVt5/mVt6/mVUI/mVUV/V10.7333.4423.5983.6003.3793.3253.15713.70560.92920.7333.4533.5973.6113.3963.3283.16

4、613.70660.929求平均值：U(tw)=3.421mV，U(tf)=0.733mV，UI =13.706mV，UV =60.929V查表可得，tw=81.6，tf=18.6則 tm=(tw+tf)/2=50.1，t=63，=1/(273+50.1)=3.095×10-3K-1Q=I·U= UI·UV /R=83.51W查表得物性參數(shù)：=1.093kg/m3，Cp=1.005kJ/(kg·K)，=2.83×10-2W/(m·K)，v=17.95×10-6m2/s，Pr=0.698又由于=/(273+50.1)=3.09

5、5×10-3K-1，D=38.0mm，L=1190mm，=0.08所以 Gr=（g··t·D3）/v2=325424，Ra= Gr·Pr=227146h= Q/F-CoF(Tw4-Tf4)×10-8/(tw-tf)=8.713 W/(m2·K)Nu=h·D/=11.7實(shí)驗(yàn)其它組的數(shù)據(jù)整理如下：各組數(shù)據(jù)處理中均認(rèn)為tf=18.6管序號(hào)tw/tm/×102W/(m·K)Q/Wh/W/(m2·K)Gr185.552.12.8426.7211.320.69842360.8281.650.12.

6、8383.518.710.698325424367.743.22.7882.256.860.699635000484.951.72.8474.228.6370.698198737539.429.02.663.469.650.70158906-7-8121.570.02.96497.067.100.6944717000各實(shí)驗(yàn)管的設(shè)備參數(shù)如下：圓管序號(hào)直徑D/mm長(zhǎng)度L/mm表面黑度熱偶個(gè)數(shù)n標(biāo)準(zhǔn)電阻R119.05600.0840.01238.011900.0860.01350.014300.0870.01432.012000.0860.01513.04000.0840.1615.85000.08

7、40.01725.07600.0860.01886.422710.0880.01根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算各實(shí)驗(yàn)圓管表面流場(chǎng)的Nu值，如下表所示：圓管序號(hào)NuGrPrGr·Prlg(Nu)lg(Gr·Pr)17.57423610.698295680.88 4.47 211.673254240.6982271461.07 5.36 312.346350000.6994438651.09 5.65 49.731987370.6981387180.99 5.14 54.7258900.70141290.67 3.62 6-7-820.7247170000.69432735981.32 6.

8、52 擬合lg(Nu)- lg(Gr·Pr)曲線，如下圖所示：從上圖可得lg(Nu)=0.106+0.2163 ×lg(Gr·Pr)則C=100.106=0.7834，n=0.2163 Nu=0.7834(Gr·Pr) 0.2163四、 誤差分析把實(shí)驗(yàn)分析得到的數(shù)據(jù)和參考書給出的水平圓管空氣自熱換熱對(duì)流換熱經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則方程式進(jìn)行比較分析。對(duì)比數(shù)據(jù)如下：圓管序號(hào)GrPrNu理論值Nu實(shí)驗(yàn)值h理論值W/(m2·K)h實(shí)驗(yàn)值W/(m2·K)相對(duì)偏差/%1295686.297.579.4111.2620.3222714610.4811.677.8

9、08.6811.4344386512.3912.346.886.81-0.441387189.269.738.228.675.1541294.074.728.339.6416.06-7-8327359820.4220.727.007.101.5從上表中可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本符合，個(gè)別圓管的實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差比較大，如圓管1的相對(duì)偏差達(dá)到了20.3%、圓管5的相對(duì)偏差達(dá)到16.0% 。造成實(shí)驗(yàn)誤差的原因主要有：1、圓管壁溫分布不均勻，盡管實(shí)驗(yàn)中通過分段測(cè)溫，然后求溫度平均值，但仍然存在一定的誤差，比如圓管1和圓管5的熱偶個(gè)數(shù)較少，均為4個(gè)，這兩組實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差都比較大，而圓管3和圓管8的熱偶個(gè)數(shù)分別為