翅片管束管外传热和阻力测定实验指导书

翅片管束管外传热和阻力测定实验指导书

一、实验目的

1.了解热工实验的根本方法和特点；

2.学会翅片管束管外传热和阻力的实验研究方法；

3.稳固和运用传热学课堂讲授的根本概念和根本知识；

4.培养学生独立进行科研实验的能力。

二、实验内容

1-熟练实验原理和实验装置，学习正确使用测温差、测压力、测流速、测热量等仪表。

2.正确安排实验，测取管外传热和阻力的有关实验数据。

3.用威尔逊方法整理实验数据，求得管外传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。

三、实验原理

I.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传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示如下：

DU,n

式中：N产生%为Nusseh数;Re=°'='%为RenoIds数;

vV1]

yC•rj

尸,=为Prandtl数:

aX

H、b、8分别为翅片高度、厚度和翅片间距；

P,为翅片的横向管间距和纵向管间距：N为流动方向的管排数；

为光管外径：U,„,G”为最窄流通截面处的空气流速/跖和质量流速（依//s）；

巨G,“二Um.P：入、p、rj、V、a为气体的物性值。

2热导率夕密度〃动力粘度V运动粘度q定压比热容a热扩散率

200时

0.02591.20518.1x10615.06x1061.005x10321.4X106

22

W/mk依/谭Pa-Sm/s〃依/m/s

此外，传热系数还与管束的排列方式有关，有两种排列方式：顺排和又排，由于在又排管束中流体

的紊流度较大，故其管外传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（I）可简化为：

N"=fM，匕）⑵

对于空气，P,.数可看作常数，故

式（3）可表示成指数方程的形式：

N0=CR：（4）

式中C、〃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审: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，管外传热系数可以有不同的定义公式，可以以光管外外表为基准定义传热系数，也可

以以翅片管外外表积为基准定义。为了研究方便，此处采用光管外外表积为基准，即：

・

£>o•L（Ta一7何）

式中：。为总传热量（W）；〃为传热管子的根数；冠）为一支管的光管换热面积〔宿；7；为空

气平均温度（℃）；7；”为光管外壁温度（C）；此处，〃的单位为（℃）.

4.如何测求翅片管束平均管外传热系数力是实验的关键。如果直接由式（5）来测求〃，势必要测量管

壁平均温度，口，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

外传热系数，这一方法的要点是先测求出传热系数，然后从传热

热阻中减去的各项热阻，即可间接地求出管外传热热阻和传热系数。即：

111

%（6）

K%

式中：K为翅片管内壁的传热系数，可由实验求出：

K二Q⑺

n-兀DoL（T、,一T（J

其中：（，代表管内流体的'/均温度;

%是管内流体对管内壁的传热系数,可由的传热规律计算出来：

Rw由管壁的导热公式计算；

应当指出，当管内传热系数力»力时，管内热阻」-将远远地小于管外热阻!，这时，％的某

hh

I

些计算误差将不会明显地影响管外传热系数力的大小。

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传热的换热方式。本实验系统中，采用

热管作为传热元件，将实验的翅片管，作为热管的冷凝管，即热管内部的蒸汽在翅片管内冷凝，放

出汽化潜热，通过管壁，传出翅片管外，这就保证了翅片管内的冷凝过程。这时，管内传热系数4

可用Ms住〃层流膜层凝结原理公式进行计算,即:

4r-i万〃1

%=1.88（空）3（丝上）3⑻

式中，「二0（9）

rn/rDj

为单位冷凝宽度上的凝液量（依/$•〃?），其中，r为汽化潜热（〃依），R为管子内径，式（8）中第2

个括号中的物理量为凝液物性的组合。

圆筒壁的导热热阻为

%,=4"ln2（In2r//f）（10）

24.D,

应当注意：式（6）中的各项热阻都是以光管外外表积为根底的。

四、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。实验装置由有机玻璃风洞、

试验管件、加热管件、风机支架、测试仪表等六局部组成。

有机玻璃风洞由带整流隔栅的入口段、平稳段、前测量段、工作段、后测量段、收缩段、测速段、

犷压段等组成。工作段和前后测量段的内部横截面积为300x300〃〃〃。工作段的管束及固定管板可自由

更换。

实验管件由两局部组成：单纯翅片管和带翅片的实验热管：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:

翅片管翅片管翅户嫂片嫂片横向管纵向管

管排数

内仔夕卜高度厚度间距间距间距

D.（mm।D（）mm।H（mm।J.mm।B,mm।P,（mm）P,（mm।N

2046131475837

4根实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

为实验数据说明，自第3排以后，各排的传热系数根本保持不变了。所以，这样测求的传热系数代表第

3排及以后各排管的平均传热系数。

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。加热

功率可直接由电压乘以电流得到。实验管的加热功率可由下式得到：

Q=IU（W）（11）

每一支热管的内部插入一支铜^铜铠装热电偶用以测量热管内冷凝段的蒸汽温度T、，,在电加热的箱

体上也安装一支热电偶，用以确定箱体的散热损失。热电偶的电动势由电位差计测量。

空气流的进出口温度由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，管束前后的静压侧孔都是

I个，在前后测量段的壁面上。空气流的速度和流量由安装在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.接通电加热器电源，将电功率控制在2〜3KW之间，预热5〜10分钟后，开动引风机；注意引风机

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。•般，空气风速应从小到大逐渐增加。

实验中，可开启引风机的5个开度，读取毕托管压差值，这样，就有5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，将测量的量整

齐地记在数据记录表格中。

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咯中。在整理数据时，可以手工计算，也

可以编程计算。

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

数据的整理可按卜述步骤进行：

1.计算风速和流量

测量截面积的风速

.朽‘(>n/s)(12)

其中：压差M(〃⑺水柱)或(伙/762).单位换算系数g=9.8(依•〃[)；

kgf-s

流量：出

其中：测量截面积，=0.075x0.3(/n2)

2.空气侧吸热量

Q}=MaxCpx(Ta2T(l})(13)

Ta]i进口空气温度(℃)；T(12i进口空气温度(℃)：

3.电加热器功率

Q2=IU(IV)

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

此处，Q为自然对流散热系数，可近似取《.=5w/m2-r进行计算；Fb为箱体散热面积

(劭=0.32x0.58x4m2),「箱体温度，7。为环境温度。

5.计算热平衡误差

丝二°「(。「0)(14)

2.

6.计算翅片管束最窄截面处的质最流速

(J测-一(m2

牛="与一。0)L：翅片管杓效长度300〃2〃7

G,“=Umxp(kg/m2-s)

7.质量流速

G=U测xp(依/〃/•$)

8.计算凡,数

9.计算翅片管内壁传热系数

-------------------------w/m2•℃(15)

n^D^Lx(Tv-Ta)

10.计算管内凝结液膜传热系数

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「的函数，因此，式(8)

可简化为：

%=(245623+34047；-9.677(2)(2产(16)

nDj

11.计算管壁热阻，由式(9)计算

12.由式(6)计算管外传热系数

13.计算N,=学

A

14.在双对数坐标纸上标绘N“-R,关系曲线，并求出其系数和指数。也可由计算程序求N、-R，回归

方程。

此外，空气流过管束的阻力AP一般随乙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

NG2

\P=f———(17)

2gp

式中：/为摩擦系数，在几何条件固定的情况下，它仅仅是此的函数，即

f=CR；(18)

式(18)中的系数C和指数仅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整理结果

如附录I所示。

七、讨论

1.测求的管外传热系数力包括了儿局部热阻？

2.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？

3.每支实验热管的管内温度7；不尽相同，这对平均传热系数〃的精确性有何影响？

4.分析实验误差产生的原因在改良措施。

5.通过实验，掌握J'那曲实验技能？稳固J'哪些根本概念？

I.入口段；2.整流隔栅；3.平稳.段；4.前则量：5.铠装热电体；6.实验热管；7.翅片管；8.后测量；9.收缩段；10测速段;

11.扩压段：13.联接段：13.毕托管：14.倾斜式压差表：15.电位差计：16.加热元件：17.工作段：18则压测温孔。

图I实验风洞本体和测试系统

数据整理

序

空气流速质量流速质量流址最察截面雷诺数空气电加散热热平衡管内壁管外传热摩擦系数备注

数

质量流速吸热热损失误差传热系数系数M

心GM.G.R,QQ、Kh

%N，吟NG：

号miskg/m2skgiskg/m'sWIVW%W/m2-VW/m2-V

1

2

3

4

5

6

实验数据

风机/UAhlalTa2TT.

开度

(A)(V)(mm)CC)CC)CC)(mv)(V)

1

2

3

4

5

6

Mi：毕托管压差读数：T.I：进口空气温度：兀2：出口空气温度；T：室温;

Tvt：电位差计读数(»nv);7；：从亮伏对照表查出的度数(V)

实验数据

T,TTTa

风机开度23

(mv)()nv)\mv)(mv)

1

2

3

4

5

6

热管换热器实验指导书

一、实验目的：

1.了解热管换热器实验台的工作原理；

2.熟悉热管换热器实验台的使用方法；

3.掌握热管换热器换热量。和传热系数K的测试和计算方法。

二、实验台的结构及工作原理：

热管换热器实验台的结构如下列图所示。

实验台由5.翅片热管（整体轧制）4.热段风道6.冷段风道9.冷段和热段风机7.电加热器（I-1000W

II-100W）2.热电偶3.测温切换琴键开关8.热球风速仪（独立仪表）等组成。

热管换热器实验台结构简图

1-风速测孔2.一热电偶3.一测温切换琴健开关4.一热段风道5.一翅片热管

6.一冷段风道7.一电加热器8.一热球风速仪（图中未绘出）9.一风机

热段中的电加热器使空气加热，热风经热段风道时，通过翅片热管进行换热和传递，从而使冷段风

道的空气温度升高。利用风道中的热电偶对冷、热段的进出口温度进行测量，并用热球风速仪对冷、热

段的出口风速进行测量，从而可以计算出换热器的换热量Q和传热系数Ko

三、实验台参数：

1.冷段出口面积F,=0.07x0.07=0.0049（^2）

2.热段出I」面积5=0.07x0.07=0.0049。/）

3.冷段传热外表积力4.热段传热外表积力=0.11（m2）

四、实验步骤:

1.接通电源

2.将加热器旋钮调至1档的位置（强热），此时电加热器和风机开始工作。

3.用热球风速仪在冷热段出口的测孔中测量风速。（为使测量工作在风道温度不超过40℃的情况下进行,

必须在开机后立即测量）。风速仪使用方法，请参阅该仪器使用说明书。

4.待工况稳定后（约20分钟后），按下琴键开关，切换测温点，逐点测量冷、热段进出口温度勿2,GJ，

J，〜（参看实验台结构图P30）。

5.将加热器旋钮调至2档的位置（弱热），重复上述步骤，测最工况2的冷热段进出口温度c

6.实验结束后，切断所有电源。

五、实验数据处理

将实验中测得的数据、室温、口期填入卜.表中

风速m/s冷、热段进巴口温度（°C）

工序

备注

况号

冷段匕热段匕fL2JL\。2%

1室温（℃）

2

1

3

平均

1日期

2

2

3

平均

计算换热量、传热系数及热平衡误差：

1.工况1（强热）

利用热力学定律：Q=”p2[视定压比热容）=%）jxE测X"测

%”测量风速E测：测量截面积P测：空气密度△/：平均传热温差

冷段换热量

QL=0.24（36（X）VL*FL*pL）Cp（tL2-tL.）[kcal/h\

热段换热量Qr=0.24（3600匕*匕*-g）除面〃力]（注意单位换算）

热平衡误差3=（QLQ%%

根据传热学的根本公式：Q,=KAMA：传热面积

2-/?•r]

传热系数K=[^cal/mfL一冷段传热外表积

式中匕，匕一冷、热段出口平均风速[m/s]

F「巴一冷、热段出口断面积[〃/]

%，a，42，j一冷、热段进出口风温[参见实验台结构图示p3。][℃]

Prp「一冷、热段出口空气密度[K,//]

A―勿2。2

-----------------------

22

2.工况2[弱热）（计算方法同上）

将上述数据整理所求得的两种工况的实验结果填入下表，并进行比拟分析。

冷段换热量热段换热量热平衡误差传热系数

工况

。仆c%6(%)K(kcal/m2hC)

1

2

六、加热原理

七、实验报告要求

1.写出实验原理，整理实验数据、列表。

2.误差分析及防止的原因。

附：风速仪使用说明书

一.结构与工作原理：

本仪器根据加热物体，在气流中被冷却，其工作温度为风速函数这一原理设计.该仪器由风速探头及

洌量指示仪表两局部组成。具体工作原理如图1所示。

风速探头为敏感部件，当一恒定电流流过其加热线圈时，其敏感部件内，温度升高并r静止空气中

到达一定数值。此时，其内测量元件热电偶产生相应的热电势，并被传送到测量指示系统，此热电

势与电路中产生之基准反电势互相抵消，使输出信号为零，仪表指针也相应指向零点。假设风速探

头端部的热敏感部件暴露于空气流动中时，由于进行热交换，此时将引起热电偶热电势变化，并与

基准反电势比拟后产生微弱差值信号，此信号被测量指示仪表系统放大并推动电表，由指针指示值

即可读出被测风速大小。

二.使用方法：

i.将仪器水平放好，使直键开关处于原位(向上)。

2.调节电表机械零点，使表针指于零位。

3.将探头测杆垂直向上放置，使其热敏感部件全部按入测杆管内，并将风速插头插入“探头”插座。

4.按下“电源”直键(左起第一)调节“放大器零点”电位器使指针指于零点。

5.按下直键开关(左起第二)调节“零点调节”电位器使指针指于零点。

6.预热十分钟，并重复上述步骤，方可进行测量。

7.低风速段(0.O5'lm/s)o

经预热校准后，可将风速探头测杆端部热敏感部件拉出，使其暴露于被测气流中，注意便测杆垂直，

并使其有顶丝一面对准气流吹来方向，即可由电表指标值读取风速。

8.高风速段(lm/s^30m/s)(Im/s^lOm/s)

风速超过lm/s按下30m/s直键开关［左起第三)即可读数。(此时按键全部处于按下态：。

9.使用完毕应将百键开关所有键从左至右依次复位.

风速探头热敏感部件测杆拉出局部全部接入测杆管内，并拔下插头放入仪器盒原位置。

铜铜热电偶温度一毫伏对照表

mVmVmVmVmVmVmVmVmVmV

温度0123456789

00.0000.0390.0780.1160.1550.1940.2340.2730.3120.352

100.3910.4310.4710.5100.5500.5900.6300.6710.7110.751

200.7920.8320.8930.9140.9450.9951.0631.0771.1181.159

301.2011.2421.2841.3251.3671.4081.4501.4921.5341.576

401.6181.6611.7031.7451.7881.8301.8731.9161.9582.001

502.0042.0812.1302.1742.2172.2602.3042.3472.3912.435

602.4782.5222.5662.6102.6542.6982.7432.7872.8312.867

702.9202.9653.0103.0543.0993.1443.1893.2343.2793.325

803.3703.4153.4693.5063.5523.5973.6433.6893.7353.781

903.8273.8733.9193.9654.0124.0584.1054.151