换热器综合实验指导书

实验二 换热器综合实验

一、实验目的

1. 测定空气横掠单管时的平均对流传热系数，了解其变化规律；

2. 了解实验装置和测量的组成，熟悉空气流速、温度及加热功率的基本测量方法；

3. 掌握对流传热实验数据的处理方法。

二、实验原理

根据牛顿冷却公式，对流传热量可按照下式计算

()

W w f hF t t Φ=-

(1)

式中，h 为对流传热系数，2W /(m ) ℃；F 为传热面积，2

m ；w t 和f t 分别固体壁面的温度和流体

的平均温度，℃。根据对流传热理论，对流传热系数的变化规律可以用以下的特征数关系式表示

(Re,Pr)Nu f = (2)

式中努塞尔数定义为hD

N u λ

=

，雷诺数定义为m ax R e f u D

ν

=

，P r 为流体的普朗特数，D 是换热面

的特征尺寸，m ；λ是流体的热导率，W /(m ) ℃；m ax f u 是通道最窄截面的速度，m /s ；ν是流体的运动粘度，2m /s 。

空气在温度变化不大时，上式中的P r 变化很小，可以近似看作常数。式（2）可简化为

(Re)Nu f =

(3)

在对流传热实验中，可以通过改变来流速度或管子的直径使R e 在一定范围内变化，同时测算出对应条件下，以上各个物理量的值，再整理出N u 和R e 之间的关系。

三、实验设备及测量系统

实验系统由以下三个部分组成： 1. 系统的组成与结构

● 风洞本体——包括进风段、被测段、测量段和离心风机，见图１；

●

基于PC 可编程序控制器的测控系统——包括工控PC 、可编程序控制器、程控电加热器、风机变频器，皮托管和微差压变送器、温、湿度变送器、交流电压和电流变送器和变频风机等，见图２；

也可根据需要改成管束）；

风洞采用钢板制作，通过被测段的窗口可以观察到被测元件的位置；风道中的电加热元件采用可调压电源供电。

由变频器驱动离心风机提供风源，气流通过试验段与其中的发热元件进行对流传热。气体流量可以通过调节风机转速来控制，即可以在控制箱面板上调节，也可以在计算机上进行操作。

控制箱中包括电源控制开关、变频器，电动调压器，加热电压调节和指示、风机工作状态指示、A/D转换以及和计算机通讯接口(RS-485)。

2.风速的测量

风速通过实验段风道中插入的皮托管测得的气流动压间接得到。皮托管上与控制箱中的微差压变送器用胶管连接，差压信号经微差压变送器转换成0～10V的直流电压信号，经数据采集模块转换成数字信号后采集到计算机中，再转换成风速。

3. 被测元件温度的测量

被测元件的温度采用K分度热电偶测量（共４对），热电势信号通过数据采集模块转换成数字信号后采集到计算机。

4. 空气温度的测量

空气温度采用热电阻温度传感器/变送器测量，通过数据采集模块转换成数字信号后采集到计算机。

5. 空气湿度的测量

空气湿度采用湿度传感器/变送器测量，通过数据采集模块转换成数字信号后采集到计算机。

6. 传热量的测量

传热量是根据加热元件的电压、电流计算的发热功率间接获得。通过被测元件的电流和两端的电压经过变送，通过数据采集模块转换成数字信号后采集到计算机。

四、测试方法及实验步骤

1.首先将启动计算机，运行测量程序；

2.输入大气压力和相对湿度的测量结果；

3.启动风机，缓慢点击按钮，设定风机转速；

4.打开加热器电源，调节加热电压到，一般不要超过120V；

5.观察画面上的数据窗口，可以得到电热元件及测试段的温度、加热电压、电流、气流的动压

和空气的进出口温度；

6.点击“开始测量”按钮即可记录实验数据，初始设置的采样周期为5秒。观察加热元件的温

度，待其基本不变时，按下“计算”按钮，计算出实验所需要的各个参数，列在操作画面上的表格中，并将计算出的雷诺数和努塞尔数描在log Re log Nu

双对数坐标图上；

7.调节风机转速，改变风量，获得不同风量时的数据；

8.双击log Re log Nu

对数坐标图，图上会显示一条红色的直线，表示的是按照最小二乘法拟合出来的结果；

9.点击“保存数据”按钮，按照对话框的提示将原始数据保存到指定的位置；

10.将加热电压降到零位，关闭加热器电源，将风量调到最大，5分钟后再关闭风机；

11.将实验数据记录拷贝出来，以便进行整理；

12.退出实验程序，关闭计算机，结束实验。

五、计算公式

1.空气的来流速度

空气的来流速度由毕托管经差压变送器和A/D转换得到的动压间接计算

m/s m u =

(4)

式（4）中p ?是毕托管测得的动压，P a ；out ρ是在出口温度下空气的密度3kg/m 。测试段最窄截面处的风速为

m ax m ax m /s out out f m

u in

A u u A ρρ=

(5)

式（5）中，in ρ是在进口温度下空气的密度3kg/m ，m ax ,out u A A 分别是皮托管所在截面的面积和被测段最窄截面的面积，2m 。

2. 实验段加热功率

加热功率由测得的实验管有效测量段两端的电压V （V ）和通过实验管的电流I （A ）计算

W V I

Φ=

(6)

电流和电压均先通过A/D 转换后再采集到计算机中。

3. 平均对流传热系数

()

2

W /(m )w f

h A t t Φ=

- ℃

(7)

式中A 是被测元件的面积，2m 。

4. 特征数经验关联式

如果将实验中每个工况的数据整理后得到的R e i 和i N u (1,2,,)i M = 绘在log Re log Nu 对数坐标图上，可以看出，N u 和R e 之间的关系可以近似用以下形式表示 log log log Re Nu C n =+ (8)

即

Re n

Nu C =

(9)

采用最小二乘法回归后，可以得到式（8）中的常数

()

()

2

1

1

112

2

11

log log R e log R e

log log R e log log R e log R e M

M

M M

i

i

i

i i i i i i M

M

i i

i i N u

N u C M ======-=

??

- ???

∑∑∑∑∑∑ (10)

()

1

1

12

2

11

log log R e

log log R e log R e log R e M

M

M

i i

i

i

i i i M

M i i i i N u M

N u

n M =====-=

??

- ???

∑∑∑∑∑

(11)

在计算N u 和R e 时，所涉及的物性参数是在膜温度2

w f

m t t t +=

下计算得到的数据，在计算机处理

数据的过程中，已经计入了大气压力B P 和空气相对湿度?的影响。

六、实验要求

1. 预习实验指导书，掌握实验原理和实验方法，拟定实验方案，使雷诺数R e 的范围尽量大；

2. 设计数据表格，记录原始数据，并自行求得各工况对应温度下的物性参数、雷诺数和努塞

尔数；

3. 参考实验测量软件，将测量点描在（或计算机绘图）双对数坐标纸上（log Re log Nu ），

用最小二乘法计算公式求出特征数经验关联式；

4. 将特征数关联式在log Re log Nu 图上绘出，并与实验测量的数据点进行对比，

5. 撰写实验报告，内容包括实验目的、实验原理和实验方法、实验装置简介、原始数据表格、

实验数据的整理过程和计算结果以及绘制的双对数坐标图，对实验装置、实验方法及实验结果等方面的问题进行讨论分析等。

七、注意事项

1. 为了保护加热器不超过允许使用温度（<150℃，t ? <120℃），在实验开始时应首先启动风

机，然后再接通加热电源；

2. 在实验过程中应注意观察温差的变化曲线，一旦超温应立即关闭加热器电源；

3. 实验过程中可从大风量到小风量的顺序进行测量，这样可以使加热器的温度逐步升高，对

温度高低容易把握，以避免一开始就达到很高的温度；

4. 远程调节风量时，用鼠标点击的速度要慢，过快的动作会使变频器保护；

5. 手动调节风量时，调节旋钮时的速度要缓慢，避免动作过快导致变频器保护；

6. 实验结束时，应先关闭加热器电源，然后再关掉风机。

八、思考题

1. 如何考虑辐射传热量对本实验结果的影响，辐射传热量修正方法有和困难？

2. 本实验中的加热和热计量方式有哪些优点和缺点？

3.被测元件上的热电偶安装在内部，测得的温度与管壁平均温度是否有偏差？

4.如果不采用计算机数据采集系统，那么需要哪些测量仪表才能完成本实验？除辐射传热外，

本实验中测量误差的来源还有哪些，应如何控制？