换热器综合实验指导书
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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)