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横管自由流动换热系数测定

一、目的

利用多根尺寸不同的横管，测定这些横管对周围空气在自由流动情况下的对流放热系数c，并将实验数据处理成准则关系式，以便将实验结果扩大其应用范围

二、原理

换热设备中自由流动放热的经验公式，可以根据相似原理通过模型试验综合得出。所谓模型试验就是用缩小的模型观察换热设备中的换热规律，这要求模型与原型（指工业应用的换热设备）之间保持几何相似、流动相似和换热相似。

根据相似理论，流体在自由流动情况下的对流放热规律可以整理成下列的准则关系式：

如果取流体边界层中的平均温度作为定性温度。这里为换热表面的温度，为边界层以外流体的温度。则可以用下列准则关系式来表达水平横管时流体自由流动放热规律：

（1）

如管表面具有均匀的温度，而远离横管的空气温度为，根据牛顿冷却公式，在稳定传热情况下，横管外表面传给空气的热量为

若考虑横管外表面对四周环境也进行辐射放热，那么横管表面传出的热量Q必然是对流放热Qc和辐射放热QR二者只总和，即

式中为黑体的辐射放热系数，其值为5.67×10-8W/m2K4；为横管外表面的黑度，由表面材料确定，铜管外表面涂铬时可为已知值；c为待定的对流放热系数。

如果在试验中能够测定圆管的表面温度，空气温度，以及横管表面所散出的热量，则对流放热系数c就可以用下列公式求出：

在不同的温差下，可以求得得不同数值。根据定性温度，可以把这些整理成多个无因次数值，和。

这里，；数可以按的值从空气的物性参数表查得。有了这些准则数就可将这些数据按线性回归法整理成式形式的经验公式。

三、模型试验装置

本模拟试验数由四根直径各不相同的紫铜管组成，这些横管的外表面都电镀一层铬，使得各根横管都具有相同的黑度。四根横管都并列地放置在高支架上，每根横管的管内部各装一个电加热器，每个电加热器都从测试段轴头出量测加热器的电压，从而尽可能地消除横管的端部热损失。加热器所消耗的功率的大小，可用自耦式调压变压器进行调节。输出的功率通过装在电加热器电源上的电压表和电流表读出，并由变送器将数据送入数据采集系统。

横管的外表面上焊有6对热电偶，用来测定横管外表面的温度。通过变送器将数据送入数据采集系统。然后通过加权平均取得横管外表面的温度。

横管的一端应开一小孔，以防止加热过程中管内空气的增压。

此外应另备一支以测量空气的温度的热电偶。也通过变送器将数据送入数据采集系统。

这一模型试验装置有四根横管，四根横管均安装在一个专用房间中，在试验进行期间，实验测试人员不宜进入此房间，以免破坏横管附近空的正常自由流动，测试仪表均设置在邻室中，测试工作也在邻室中进行。

四、实验步骤

1.四根横管分别处于四种不同的温度状态下，闭合电闸开始加热，并调节所需的功率，并用调压变压器或对各根横管调整到各不相同的功率，使得横管

计算结果汇总表

管号

lg

lg

1

2

3

4

2.用线性回归分析法求得自由对流换热经验公式

由于式（1）是一个曲线方程，对此式左右两边取常用对数。则可以使曲线方程直线化，式为：

上式与一般的线性方程y＝nx+C完全一致。线形回归法基本上就是最小二乘法，它可以不借助于图解，完全用计算的方法，将准则关系式（1）中的未知数C和n确定下来，并能使所得的常数充分反映原有实验数据的精确度。用最小二乘法算出的一条直线，在此直线上的各点和实验点的偏离是一切直线中具有“最小偏差”的一条直线。

线形回归方程的具体计算通常可以用列表的方法进行，如下表所示。

线形回归方程方程计算表一

管号

x＝lg

y＝lg

x2

y2

xy

1

2

3

4

N＝4

线形回归方程方程计算表二

计算项目

计算公式

计算结果

Ixx

Iyy

Ixy

n

C

当常数n和C算出以后，对比下列（a）（b）两个线性方程

y=nx+C(a)

(b)

则不难得出

最后可以得出具体的回归方程（即准则方程式）为：

七、实验报告内容

1.实验装置简图；

2.实验记录；

3.实验数据的处理；

4.试回答和讨论下列一些问题：

（1）本实验如不采用线形回归法处理数据是否可以用图解法求出准则关系式？

（2）如果有一根蒸汽管道沉