水平圆管外表面空气自然对流换热实验指导书[201211版].pdf

水平圆管外表面空气自然对流换热实验 一、实验目的 1. 测定水平圆管加热时周围空气自然对流换热平均表面传热系数h 。 2. 根据自然对流放热过程的相似分析，将实验数据整理成准则方程式。 3. 通过实验加深对相似理论基本内容的理解。 二、实验原理 根据相似理论，空气沿水平管外表面自然对流时，一般可以得到以下指数形式的准则关 系式： Nu=C(GrPr)n (1) 式中，Nu ，努谢尔特准则数： Nu=hD/ (2) Gr，格拉晓夫准则数： 3 2 Gr=g△tD /v (3) Pr ，普朗特准则数，是温度的函数。C 和n 均为常数，我们的任务就是通过实验确定式中的 这两个常数。在准则式中，空气的导热系数，运动粘度v ，以及普朗特准则数Pr 可以根据 实验管壁面温度t 和环境空气温度t 的平均值t ，查阅有关手册内插得到。 空气的容积膨 w f m 胀系数 取理想气体的膨胀系数,  =1/Tm 。g 是重力加速度，D 是管子外径，△t 是远离管壁 的空气温度差，△t=t －t ，t 为空气温度，t 为管外壁温。 w f f w 本实验的关键是对流换热表面传热系数h 的确定。由对流换热表面传热系数h 的定义： h=Q /F △t (4) a 式中，Q 为水平管外表面与周围空气之间的对流换热量，水平管的外表面积F=  DL ，L 为 a 水平管的有效长度。 在气体中的对流换热，不可避免的会伴随有换热壁面与周围环境的辐射换热，因此，管 的实际传出热量为对流换热和辐射换热量之和: 4 4 -8 Q=Q +Q =hF(t －t )+  C F(T －T ) ×10 a r w f 0 w f －2 －4  式中， 为实验管外表面的黑度，黑体辐射系数C =5.67W ·m ·K 。在这里，假定了环 0 境温度即空气温度。于是，水平管外表面对流换热表面传热系数就可以由下式确定： 4 4 －8  h=[Q/F － C (T －T ) ×10 ]/ (t －t ) (5) 0 w f w f 由式(5)，对给定外径为D 和长度为L ，表面黑度为的水平实验管，只要测量管的实际 传出热量Q、管外壁温t 、远离壁面约1 米处空气的温度t 、就可以确定水平管外表面对流 w f 换热表面传热系数h 。 要确定式（1）中的C 和n，还需要实验测量的Nu-GrPr 数据足够多，GrPr 变化范围足 够大。 三