《傳熱學(xué)》實驗指導(dǎo)書

《傳熱學(xué)》實驗指導(dǎo)書建筑環(huán)境與設(shè)備工程教研室實驗一強迫對流換熱實驗、實驗?zāi)康?、 了解熱工實驗的基本方法和特點；2、 學(xué)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(xué)課堂講授的基本概念和基本知識；4、 培養(yǎng)學(xué)生獨立進行科研實驗的能力。二、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(cè)換熱的場合。2、 空氣（氣體）橫向流過翅片管束時的對流換熱系數(shù)除了與空氣流速及物性有關(guān)以外，還與翅片管束的一系列幾何因素有關(guān)，其無因次函數(shù)關(guān)系可表示如下：cHd/BPtPNu=f（Re、Pr、 、 、 、一、 、n） （1）uerDoDoDoDoDo式中：Nu=h?^努謝爾特數(shù)；7Re=—=4烏為雷諾數(shù)；Y np」二C...'為普朗特數(shù)；hH、&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，Um、Gm為最窄流通截面處的空氣流速（m/s）和質(zhì)量流量（kg/ms）,且Gm=Um?P入P、LYa為氣體的特性值。此外，換熱系數(shù)還與管束的排列方式有關(guān)，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，故其管外換熱系數(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：TOC\o"1-5"\h\zNu=f（Re、Pr） （2）對于空氣，Pr數(shù)可看作常數(shù)，故Nu=f（Re） （3）式（3）可表示成指數(shù)方程的形式Nu=CR—n （4）式中，C、n為實驗關(guān)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，管外換熱系數(shù)可以有不同的定義公式，可以以光管外表面為基準定義換熱系數(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：n* *Do*L(Ta-Two)

式中：Q為總放熱量，（W）,n為放熱管子的根數(shù)，nD°L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，h的單位為（w/m2?C）。件很困難的任務(wù)。采用一種工程上更通用的方法，即：然后從傳熱阻中減去4、如何測求翅片管束平均管外換熱系數(shù) h是實驗的關(guān)鍵。如果直接由式（5）來測求h,件很困難的任務(wù)。采用一種工程上更通用的方法，即：然后從傳熱阻中減去勢必要測量管壁平均溫度Two，這是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),已知的各項熱阻，即可間接地求出管外換熱熱阻和換熱系數(shù)。即式中：K為翅片管的傳熱系數(shù)，可由實驗求出其中：Tv代表管內(nèi)流體的平均溫度。Rw由管壁的導(dǎo)熱hRw由管壁的導(dǎo)熱公式計算之。

應(yīng)當指出，當管內(nèi)換熱系數(shù)h>>h時，管內(nèi)熱阻十將遠遠地小于管外熱阻十，這時,三、實驗設(shè)備hi的某些計算誤差將不會明顯地影響管外換熱系數(shù)h的大小。5、為了保證hi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，采用簡易熱管作為傳熱元件，將實驗的翅片管，做成簡易熱管的冷凝段，即簡易熱管內(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)換熱系數(shù)hi可用努謝爾特層流膜層凝結(jié)原理公式進行計算，即:卜1.88hi的某些計算誤差將不會明顯地影響管外換熱系數(shù)h的大小。5、為了保證hi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，采用簡易熱管作為傳熱元件，將實驗的翅片管，做成簡易熱管的冷凝段，即簡易熱管內(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)換熱系數(shù)hi可用努謝爾特層流膜層凝結(jié)原理公式進行計算，即:卜1.88告)-3((8)式中,-Q-rn二(9)為單位冷凝寬度上的凝液量（kg/s,m），2個括號中的物理量為凝液物性的阻合。園筒壁的導(dǎo)熱熱阻為其中r為汽化潛熱（J/kg）,Di為管子內(nèi)徑，式（8）中第「wDi(10)應(yīng)當注意，式（6）中的各項熱阻都是以光管外表面積基準的,'w=70w/(m.K)。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。LJ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.管簇后測壓管9.實驗管段10.管簇前測壓管11.吸入管12.支架13.加熱元件14.控制盤有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300mmc300mm。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簡易熱管， 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。表1翅罰內(nèi)徑翅罰外徑翅片高度翅片厚度翅片間距橫向管間距縱向管間距管排數(shù)DiDoHBPtPinmmmmmmmmmmmmmm2025.59.750.22.7758054根簡易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)。簡易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。每一支熱管的內(nèi)部插入一支 E型熱電偶用以測量熱管內(nèi)冷凝段的蒸汽溫度 Tvo

電加熱器熱的箱體上，也安裝一支熱電偶，用以確定箱體的散熱損失。 熱電偶的電動勢也可由UJ33a型電位差計進行測量?？諝饬鞯倪M出口溫度由數(shù)顯表配熱電偶測量，也可用 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斜傾式壓差計測量，管束前后的靜壓測孔都是4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測速收縮段上的畢托管和傾斜式壓差計測量。四、 實驗步驟1、 熟悉實驗原理，實驗設(shè)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、 將四排加熱管上的接有熱電偶的上蓋拔出使其能夠冒氣即可。接通電加熱器電源，將電功率控制在2~3KW之間，加熱至四排加熱管均有水蒸氣冒出后，蓋上接有熱電偶的上蓋。開動引風機。注意：(1).蓋上接有熱電偶的上蓋時，不要讓水蒸汽湯著手！(2).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(yīng)從小到大逐漸增加，實驗中，根據(jù)畢托管壓差讀值，可改變6~7個風速值，這樣，就有6~7個實驗工況；5、 在每一個實驗工況下，待確認設(shè)備處于穩(wěn)定狀態(tài)后，進行所有物理量的測量和記錄，將測量的數(shù)值記錄到先準備好的數(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(jié)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，也可以用先安排好的計算機程序。7、 對實驗結(jié)果進行分析和討論。應(yīng)注意，當所有工況的測量結(jié)束以后，應(yīng)先切斷電加熱器電源，待 10分鐘后，再關(guān)停引風機。五、 實驗數(shù)據(jù)整理數(shù)據(jù)的整理可按下述步驟進行：1、計算風速和風量風量：Ms=u風量：Ms=u測F其中：測量截面積測p測F游0.30.3m?測量截面處的密度由出口空氣溫度 T2確定。2、空氣側(cè)吸熱量:(12)Q|=MaC“ (Ta2-T(12)3、電加熱器功率Q2=l V4、加熱器箱體散 因箱體溫度很低，散熱量小，可由自然對流計算熱。Q3=hc F測(T3-To)此處，尚為自然對流散熱系數(shù)，可近似取 hc=5w/m2?C進行計算；T?箱體溫度，To為環(huán)境溫度，箱體尺寸為210*255*305。此,5、6、7、8、9、計算熱平衡誤差Q計算翅片管束最窄流通截面處的流速和質(zhì)量流速計算Re數(shù)計算傳熱系數(shù)m/s(13)Gm=U2m「測kg/ms此,5、6、7、8、9、計算熱平衡誤差Q計算翅片管束最窄流通截面處的流速和質(zhì)量流速計算Re數(shù)計算傳熱系數(shù)m/s(13)Gm=U2m「測kg/msRe=D°Gmw/mJcn*(") 2(14)計算管內(nèi)凝結(jié)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)溫度式（8）可簡化為:h二(2456233404T-9.677T)eQk)vV2nDj10、計算管壁熱阻，由式（10）計算。11、由式（6）計算管外放熱系數(shù)12、計算Nu=hDTv的函數(shù)，因(15)13、將實驗測試結(jié)果與理論計算及參考資料的數(shù)據(jù)作比較，并進行分析和討論。測試記錄序號規(guī)格電流電壓計量溫度出風面積管內(nèi)溫度風機出口流速入口溫度出口溫度室內(nèi)溫度管壁溫度TvTvTv3:1橫向5排縱向3排2橫向5排縱向3排3橫向5排縱向3排4橫向5排縱向3排5橫向5排縱向3排6橫向5排縱向3排數(shù)據(jù)整理實驗二換熱器綜合實驗一、實驗?zāi)康?、 熟悉換熱器性能的測試方法；2、 了解套管式換熱器，螺旋板式換熱器和列管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點及其性能的差別；3、 加深對順流和逆流兩種流動方式換熱器換熱能力差別的認識；二實驗裝置實驗裝置簡圖如圖1所示，本實驗裝置冷水可用閥門換向進行順逆流實驗；工作原理如圖2所示。換熱形式為熱水一冷水換熱式。1、熱水流量調(diào)節(jié)閥2、熱水螺旋板、套管、列管啟閉閥門組 3、熱水流量計4、換熱器進口壓力表5、數(shù)顯溫度計6、琴鍵轉(zhuǎn)換開關(guān)7、電壓表&電流表9、開關(guān)組10、冷水出口壓力計11、冷水螺旋板、套管、列管啟閉閥門組 12、逆順流轉(zhuǎn)換閥門組13、冷水流量調(diào)節(jié)閥4圖2換熱器綜合實驗臺原理圖1、冷水泵2、冷水箱3、冷水浮子流量計4、冷水順逆流換向閥門組5、列管式換熱器6、電加熱水箱7、熱水浮子流量計8、回水箱9、熱水泵10、螺旋板式換熱器11、套管式換熱器本實驗臺的熱水加熱采用電加熱方式，)令一熱流體的進出口溫度用數(shù)顯溫度計測量，可以通過琴鍵開關(guān)來切換測點。實驗臺參數(shù)如下：1、 換熱器換熱面積{F}:套管式換熱器具 0.45m2螺旋板式換熱器 0.65m2列管式換熱器 1.05m22、 電加熱器總功率：9.0KW。3、 冷、熱水泵：允許工作溫度：〈80C;額定流量：3m3/h;揚程:12m;電機電壓：220V;電機功率：370W。4、 轉(zhuǎn)子流量計型號：型號：LZB-15;流量：40-400升/小時；允許溫度范圍：0-120C。三實驗操作1、實驗前準備：（1） 熟悉實驗裝置及使用儀表的工作原理和性能；（2） 打開所要實驗的換熱器閥門，關(guān)閉其它閥門；（3） 按順流（或逆流）方式調(diào)整冷水換向閥門的開或關(guān)；（4） 向冷-熱水箱充水，禁止水泵無水運行（熱水泵啟動，加熱才能供電）。2、實驗操作：（1） 接通電源；啟動熱水泵（為了提高熱水溫升速度，可先不啟動冷水泵），并調(diào)整好合適的流量；過十分鐘后再啟動冷水泵；（2） 調(diào)整溫控儀，使其能使加熱水溫控制在80C以下的某一指定溫度；（3） 將加熱器開關(guān)分別打開（熱水泵開關(guān)與加熱開關(guān)已進行連鎖，熱水泵啟動，加熱才能供電）；（4） 利用數(shù)顯溫度計和溫度測點選擇琴鍵開關(guān)按鈕，觀測和檢查換熱器）令-熱流體的進出口溫度。待）令-熱流體的溫度基本穩(wěn)定后，既可測讀出相應(yīng)測溫點的溫度數(shù)值，同時測讀轉(zhuǎn)子流量計令-熱流體的流量讀數(shù)；把這些測試結(jié)果記錄實驗數(shù)據(jù)記錄表中；（6）實驗結(jié)束后，首先關(guān)閉電加熱器開關(guān),四實驗數(shù)據(jù)處理1、 將實驗所得測試結(jié)果記入表1中。2、 數(shù)據(jù)處理熱流體放熱量：冷流體吸熱量：（6）實驗結(jié)束后，首先關(guān)閉電加熱器開關(guān),四實驗數(shù)據(jù)處理1、 將實驗所得測試結(jié)果記入表1中。2、 數(shù)據(jù)處理熱流體放熱量：冷流體吸熱量：5分鐘后切斷全部電源Q1=Cmm1{T1-T2}Q2=Cp2m2{t1-t2}TOC\o"1-5"\h\z平均換熱量：Q二“*2 W熱平衡誤差：&=Q1—Q2100%Q對數(shù)傳熱溫差：Al={ZT2-ZT1}/InzT-2/aT1={AT1-zT2}/InZT/AT? [C]傳熱系數(shù)：K=Q/（FA） W/（m2K）式中：Cp1,Cp2_________熱，冷流體的定壓比熱 J/KgKm”m2--熱，冷流體的質(zhì)量流量熱 Kg/sL，T2--熱流體的進出口溫度 Ct1,t2--冷流體的進出口溫度 CAT1=T1_t