强迫对流管蔟管外放热系数测试实验指导书

实验目的
1．了解热工实验的基本方法和特点；
2．学会翅片管束管外放热和阻力的实验研究方法；
3．巩固和运用传热学课堂讲授的基本概念和基本知识；
4．培养学生独立进行科研实验的能力。
实 验 内 容
1．熟练实验原理和实验装置，学习正确使用测温度、测压差、测流速、测热量等仪表。
2．正确安排实验，测取管外放热和阻力的有关实验数据。
3．用威尔逊方法整理实验数据，求得管外放热系数的无因次关联式，同时，也将阻力数据整理成无因次关联式的形式。
4．对实验设备，实验原理，实验方案和实验结果进行分析和讨论。
实 验 原 理
1．翅片管是换热器中常用的一种传热元件，由于扩展了管外传热面积，故可使光管的传热热阻大大下降，特别适用于气体侧换热的场合。
2．空气（气体）横向流过翅片管束时的对流放热系数除了与空气流速及物性有关以外，还与翅片管束的一系列几何因素有关，其无因次函数关系可表示如下：
N_u=f(R_e、P_r、N)
式中：N_u= 为Nusselt数；
R_e==为Reynolds数；
P_r==为Prandtl数；
H、δ、B分别为翅片高度、厚度、和翅片间距；
P_t、P_l 为翅片管的横向管间距和纵向管间距；N为流动方向的管排数；
D_o为光管外径，U_m、G_m为最窄流通截面处的空气流速（m/s）和质量流速。
（kg/m²s） 且Gm=Um•ρ
λ、ρ、μ、γ、α为气体的特性值。
此外，放热系数还与管束的排列方式有关，有两种排列方式，顺排和叉排，由于在叉排管束中流体的紊流度较大，故其管外放热系数会高于顺流的情况。
对于特定的翅片管束，其几何因素都是固定不变的，这时，式（1）可简化为：
N_u =f（R_e、P_r）（2）
对于空气，P_r数可看作常数，故
N_u =f（R_e）（3）
式（3）可表示成指数方程的形式
N_u =CR_eⁿ（4） 
式中，C、n为实验关联式的系数和指数。这一形式的公式只适用于特定几何条件下的管束，为了在实验公式中能反映翅片管和翅片管束的几何变量的影响，需要分别改变几何参数进行实验并对实验数据进行综合整理。
3．对于翅片管，管外放热系数可以有不同的定义公式，可以以光管外表面为基准定义放热系数，也可以以翅片管外表面积为基准定义。为了研究方便，此处采用光管外表面积作为基准，即：
（5）
式中：Q为总放热量，（W），n为放热管子的根数，πD₀ L为一支管的光管换热面积（m²）,T_a为空气平均温度（℃），T_w0为光管外壁温度（℃），此处，的单位为（w/m²•℃）。
4．如何测求翅片管束平均管外放热系数是实验的关键。如果直接由式（5）来测求，势必要测量管壁平均温度T_w0，这是一件很困难的任务。采用一种工程上更通用的方法，即：威尔逊方法测求管外放热系数，这一方法的要点是先测求出传热系数，然后从传热阻中减去已知的各项热阻，即可间接地求出管外放热热阻和放热系数。即
（6）
式中：K为翅片管的传热系数，可由实验求出
（7）
其中：Tv代表管内流体的平均温度。
是管内流体对管内壁的放热系数，可由已知的传热规律计算出来；R_w由管壁的导热公式计算之。
应当指出，当管内放热系数>>时，管内热阻将远远地小于管外热阻，这时，的某些计算误差将不会明显地影响管外放热系数的大小。
5．为了保证有足够大的数值，一般实验管内需采用蒸汽冷凝放热的换热方式。本实验系统中，采用简易热管作为传热元件，将实验的翅片管，做成简易热管的冷凝段，即简易热管内部的蒸汽在翅片管内冷凝，放出汽化潜热，透过管壁，传出翅片管外，这就保证了翅片管内的冷凝过程。这时，管内放热系数可用Nusselt层流膜层凝结原理公式进行计算，即：
（8）
式中，（9）
为单位冷凝宽度上的凝液量（kg/s,m）,其中，r为汽化潜热（J/kg），D_i为管子内径，式（8）中第2个括号中的物理量为凝液物性的阻合。
园筒壁的导热热阻为
（10）
应当注意，式（6）中的各项热阻都是以光管外表面积基准的。
实 验 设 备
实验的翅片管束安装在一台低速风洞中——实验装置和测试仪表如图1所示。试验由有机玻璃风洞，加热管件、风机支架、测试仪表等六部分组成。
有机玻璃风洞由带整流隔栅的入口段，整流丝网、平稳段、前测量段、工作段、后测量段、收缩段、测速段、扩压段等组成。工作段和前后测量段的内部横截面积为300mm×300mm。工作段的管束及固定管板可自由更换。
试验管件由两部分组成；单纯翅片管和带翅片的试验简易热管，但外形尺寸是一样的采用顺排排列，翅片管束的几何特点如表1所示。
 
表1

翅片管内  径	翅片管外  径	翅片 高度	翅片 厚度	翅片 间距	横向管间  距	纵向管间  距	管排数
Di	Do	H	δ	B	Pt	Pl	N
mm	mm	mm	mm	mm	mm	mm
20	25.5	9.75	0.2	2.7	75	80	5

4根简易试验热管组成一个横排，可以放在任何一排的位置上进行实验。一般放在第3排的位置上，因为实验数据表明，自第3排以后，各排的放热系数基本保持不变了。所以，这样测求的放热指数代表第3排及以后各排管的平均放热系数。
简易试验热管的加热段由专门的电加热器进行加热，电加热器的电功率由电流、电压表进行测量。每一支热管的内部插入一支E型热电偶用以测量热管内冷凝段的蒸汽温度T_vo电加热器热的箱体上，也安装一支热电偶，用以确定箱体的散热损失。热电偶的电动势也可由UJ33a型电位差计进行测量。

图1实验风洞系统简图
1.风机支架 2.风机 3.风量调节手轮 4.过渡管 5.测压管 6.测速段 7. 过渡管 8.管簇后测压管 9.实验管段 10. 管簇前测压管 11.吸入管 12.支架 13. 加热元件 14.控制盘
空气流的进出口温度由数显表配热电偶测量，也可用0.1℃的玻璃温度计进行测量，入口处安装一支，出口处可安装两支，以考虑出口截面上气流温度的不均匀性。空气流经翅片管束的压力降由斜倾式压差计测量，管束前后的静压测孔都是4个，均布在前后测量段的壁面上。空气流的速度和流量由安装在测速收缩段上的毕托管和倾斜式压差计测量。
五、实 验 步 骤
1．熟悉实验原理，实验设备；
2．调试检查测温、测速、测热等各仪表，使其处于良好工作状态；
3．将四排加热管上的接有热电偶的上盖拔出使其能够冒气即可。接通电加热器电源，将电功率控制在2~3KW之间，加热至四排加热管均有水蒸气冒出后，盖上接有热电偶的上盖。开动引风机。
注意：
（1）. 盖上接有热电偶的上盖时，不要让水蒸汽汤着手！
（2）.引风机需在空载或很小的开度下启动；
4．调整引风机的阀门，来控制实验工况的空气流速，一般，空气风速应从小到大逐渐增加，实验中，根据毕托管压差读值，可改变 6~7个风速值，这样，就有 6~7个实验工况；
5．在每一个实验工况下，待确认设备处于稳定状态后，进行所有物理量的测量和记录，将测量的数值记录到予先准备好的数据记录表格中。
6．进行实验数据的计算和整理，将结果逐项记入数据整理表格中。在整理数据时，可以用手算程序，也可以用予先安排好的计算机程序。
7．对实验结果进行分析和讨论。
应注意，当所有工况的测量结束以后，应先切断电加热器电源，待10分钟后，再关停引风机。
六、数 据 整 理
数据的整理可按下述步骤进行：
1．算风速和风量
测量截积的风速
（10）
其中：压差mm水柱或kgf/m²
空气密度ρ kg/m³
单位换算系数g=9.8
故得出速度的单位为m/s
风量：Ma=U_测*F_测*ρ_测
其中：测量截面积F_测=0.3*0.3 m²，测量截面处的密度由出口空气温度T_a2确定。
2．空气侧吸热量：
Q_l=M_a*C_pa*(T_a2-T_a1) （11）
3．电加热器功率
Q₂=I*V
4．加热器箱体散热。因箱体温度很低，散热量小，可由自然对流计算
Q₃=α_c*F_b*(T_ω- T_o)  
此处，α_c为自然对流散热系数，可近似取α_c=5w/m²•℃进行计算；F箱为箱体散热面积（实测），T_ω箱体温度，T_o为环境温度。
5．计算热平衡误差
                       （12）
6．计算翅片管束最窄流通截面处的流速和质量流速
   m/s
    kg/m²·s
7．计算R_e数
 R_e=
8．计算传热系数　
℃                 （13）
9．计算管内凝结液膜放热系数
由式（8）进行计算，对于以水为工质的热管，液膜物性值都是管内温度T_v 的函数，因此，式（8）可简化为：
         （14）
10．计算管壁热阻，由式（9）计算
11．由式（6）计算管外放热系数
12．计算
13．在双对数坐标纸上标绘关系曲线，并求出其系数和指数。也可由计算机程序求的回归方程。
此外，空气流过管束的阻力一般随数的增加而急剧增加，同时，与流动方向上的管排数成正比，一般用下式表示
　　                　　（15）
式中：为摩擦系数，在几何条件固定的条件下，它仅仅是数的函数，即
　　　　　　　　　　 　　　（16）
式（16）中的系数c和指数可由实验数据在双对数坐标上确定。一组实测的实验数据及其整理结果如附录I所示。
七、讨    论
（一）测求的管外放热系数包括了几部分热阻？
（二）所求实验公式的应用条件和范围是什么？应用威尔逊方法需保证什么条件？
（三）每支实验热管的管内温度不尽相同，这对放热系数的精确性有何影响？
（四）分析实验误差原因和改进措施。
（五）通过实验，掌握了哪些实验技能？巩固了哪些基本概念？
八、附    记
（一）本实验所需教学时数大约6学时。在进行充分预习实验指导书的条件下，实验进行约4学时，数据整理2学时。
（二）实验应用的基础知识较多，易在课程的后期进行安排。
（三）因为本实验台的实验元件都是可以更换的，可以满足各种不同的实验要求，因而也适用于研究生的实验研究。也可为工业传热元件进行性能标定。