换热器综合实验指导书.doc

实验二 换热器综合实验 一、实验目的 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； 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； 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 式中，为对流传热系数，；为传热面积，；和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 式中努塞尔数定义为，雷诺数定义为，为流体的普朗特数，是换热面的特征尺寸，；是流体的热导率，；是通道最窄截面的速度，；是流体的运动粘度，。 空气在温度变化不大时，上式中的变化很小，可以近似看作常数。式（2）可简化为 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，再整理出和之间的关系。 三、实验设备及测量系统 实验系统由以下三个部分组成： 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； 被测电加热元件——电热翅片管（也可根据需要改成管束）；图2 实验装置本体和试验段 图2 实验装置本体和试验段 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)。 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 首先将启动计算机，运行测量程序； 输入大气压力和相对湿度的测量结果； 启动风机，缓慢点击按钮，设定风机转速； 打开加热器电源，调节加热电压到，一般不要超过120V； 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； 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双对数坐标图上； 调节风机转速，改变风量，获得不同风量时的数据； 双击对数坐标图，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； 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； 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； 将实验数据记录拷贝出来，以便进行整理； 退出实验程序，关闭计算机，结束实验。 五、计算公式 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 式（4）中是毕托管测得的动压，；是在出口温度下空气的密度。测试段最窄截面处的风速为 式（5）中，是在进口温度下空气的密度，分别是皮托管所在截面的面积和被测段最窄截面的面积，。 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）和通过实验管的电流（A）计算 电流和电压均先通过A/D转换后再采集到计算机中。 平均对流传热系数 式中是被测元件的面积，。 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和绘在对数坐标图上，可以看出，和之间的关系可以近似用以下形式表示 即 采用最小二乘法回归后，可以得到式（8）中的常数 在计算和时，所涉及的物性参数是在膜温度下计算得到的数据，在计算机处理数据的过程中，已经计入了大气压力和