试验二空气沿水平圆管外表面的自然对流换热系数一

实验二

空气沿水平圆管外表面的

自然对流换热系数

一、实验目的1、测定空气沿水平圆管外表面的自然对流还热系数。并将数据整理成准则方程式。2、了解对流换热系数的实验研究方法，练习用相似准则综合实验数据的方法，认识相似理论在对流换热实验研究中的指导意义。

二、实验原理当固体表面与流过该表面的流体之间存在温度差时，固体表面与流体之间产生的热量交换现象称为对流换热。对流换热过程是硅酸盐工业热工设备中最主要的换热过程之一。由于对流换热一方面依靠流体分子之间的导热作用，同时还受到流体宏观运动的控制，因而影响对流换热的因素很多，主要有三个方面，即流动工况、表面状态和工质物性。从而使得对流换热过程成为所有换热过程中最复杂的一种，亦使得实验研究成为研究对流换热过程的一个极为重要的手段和解决问题的基本途径。

自然对流是指流体由于各部分温度不均匀而引起的流动，由此引起的对流换热称为自然对流换热。各种热工设备和管道的热表面向周围空气的对流换热就是典型的自然对流换热。实验研究的是受热体（圆管）在大空间中的自然对流换热现象。根据传热学和相似原理理论，当一个受热表面在流体中发生对流换热时，包含自然对流换热系数的准数关系式可整理为：(3-1)

式中：

——努谢尔特准数；——葛拉晓夫准数；

l—物体的特性尺寸，实验中为管径d；α—对流换热系数(W/m2·℃)；λ——流体（空气）的导热系数(W/m2·℃)；v——流体（空气）的运动粘度(m2/s）)；——流体的体积膨胀系数(1/K)。

Tm——定性温度，实验中取，tw和tf分别为圆管壁面温度和流体温度；是过余温度（℃）；c、n——待定实验常数，需根据实验数据用最小二乘法进行确定。角标“f”表示以流体平均温度作为定性温度。由于在一般情况下，实验管表面散失热量Q以对流和辐射两种方式散发的。

(3-2)

式中，Q—表面散失热量(W)，Q＝IV；Qc－自然对流散失热流量(W)：

Qr－辐射散失热流量(W)；实验管可以被看做为被其他物体（房屋、地面）包围的面积很小的凸物体，它的辐射热量为

(3-3)其中：εs—系统黑度，本实验系统中即为实验管表面黑度，由实验室事先测定；C0——绝对黑体辐射系数，C0＝5.67（W/m2·K4）；Tw、To——壁温和周围物体的平均温度（近似取室温）；F——实验管辐射散热有效面积即为其圆周面积(m2)。在实验中待整个管子达到热稳定状况后，通过测定在不同加热功率下得各点表面温度，可得到平均局部自然对流换热系数：

(3-4)三、实验装置：

图3-1自然对流换热系数测定试验装置图实验装置如图3-1所示，主要有实验管、热电偶、自耦变压器、电压表、电流表、转换开关及电位差计组成，实验管中间装有电加热器，其电源线在管的两端引出，通过自耦变压器给定电压使实验管加热，其加热功率用电压表、电流表测量，在实验管的不同部分沿管子外表面圆周不同方向安装几对热电偶，以测得管子外表面的平均温度，求出水平圆管外表面的平均自然对流换热系数。注意：实验装置的实验管应安装在一个单独的房间，房间要求尽可能密闭，以防止强迫对流，并要求没有暖气设备和阳光直射，以防止外界温度干扰和外来热辐射，电源控制和测试装置应安放在密闭室的外面。

四、实验步骤1、熟悉实验设备、正确连接线路并接通电源、调整自耦变压器、给定一定电压对实验管进行加热。2、加热后，待各对热电偶的测值稳定，可开始测量管壁温度，记下一组数据。3、间隔10分钟，测一组管壁数据，直至前后两组数据接近时为止，以这两组数据的平均值作为计算数据Tw。4、改变加热功率（即电压）至新工况，重复上述步骤，进行实验4－6次。5、记录室温、管径、管长。6、关闭电源，结束实验。表3-1实验数据记录表

五、数据整理：1．原始数据记录室温t0＝(℃)管长L＝(m)管径d＝(m)实验管表面黑度＝序号加热功率实验管壁面热电偶测值（mv）电流I电压V1＃2＃3＃4＃5＃平均1234562．计算对流换热系数根据式(3-4)计算对流换热系数，试验数据处理整理在表3-2中。3.准数方程的确定根据Nu和Gr表达式，可以得到对应的Nu和Gr值，对Nu为纵坐标，以Gr、Pr为横坐标，画在双对数坐标纸上。把几组数据同时画在一坐标纸上，得到一系列实验点，画出一条直线，这条直线的方程即为直线的斜率为n，截距为C，由此即确定了准则方程的指数n和系数