1、1中国石油大学 传热学 实验报告实验二 横管自然对流传热规律实验研究一、实验目的1了解空气沿横管表面自然对流传热规律的实验研究方法，巩固课堂上学过的传热学知识。2测定横管的自然对流传热系数 h。3通过数据处理，整理出自然对流传热准则方程式。二、实验原理对横管进行电加热，热量应是以对流和辐射两种方式来散发的，所以对流换热量为总热量与辐射热换量之差，即：, ,rc)(thAwc 44010TACwr(W)IV44010)()()( ttIVttAh wwwrw 式中： 一加热功率,W ；一辐射换热量,W；r一对流换热量,W；c一管表面黑度；一黑体的辐射系数； （W/m 2K4）0C67.50C一管
2、壁平均温度, ；wt一室内空气温度,；A 一管表面积，m 2；h 一自然对流传热系数,W/(m 2) ；根据相似理论，对于自然对流传热，努谢尔特数 Nu 是葛拉晓夫数 Gr、普朗特数 Pr 的函数，可表示成：nGrCNuP)(其中 C、n 是通过实验所确定的常数。为了确定上述关系式的具体形式，根据所测的数据，求出准则数：2hdNu3tgGr式中，Pr、 为空气的物性参数，由定性温度 tm 从教科书中查出。， d 为定型尺寸,取管外径, 。 为横管平均壁温，取各测点温度平2ttwm ttw均值，即 。ntt21测出稳定状态下四根横管的管壁温度、加热功率和空气温度，即可求得 4 组 Nu、 GrP
3、r 数，把 4 组数据取对数绘在直角坐标纸上 ,得到以 lnNu 为纵坐标，以 ln(GrPr)为横坐标的一系列点，画一条直线，使大多数点落在这条直线上或周围，根据： ,这条直线的斜率即为 n，截距为 lnC。因此可以求出常数 CPr)ln(llnGCNu和 n。三、实验装置及测量仪表实验装置有实验管(四种类型 )，支架、测量仪表电控箱等组成。 (见简图)实验装置示意图实验管内有加热丝，通一恒定电流可加热，产生的热量通过自然对流传热、辐射传热和轴向导热向周围传递，由于管长径比较大，轴向导热可忽略不计，只考虑自然对流传热、辐射传热，为了减少辐射传热量，管壁采用电镀，使其黑度系数减小，辐射传热量的
4、比例减小，在总加热功率中减掉辐射传热量，则是自然对流传热量。经过一段时间后，管壁温度趋于稳定，实验管上有热电偶安装在管壁上，可以测出出管壁的温度，由安装在电控箱上的测温数显表通过转换开关读取温度值。电加热功率则可用数显电压表、电流表读取，并3计算出加热功率。四、实验步骤1熟悉实验装置的组成、各部分的作用、测量线路和加热线路。2实验装置已提前加热基本趋于稳定，实验时不要调节加热电压。3开始测量各参数。管壁温度通过数显仪表和按键开关依此测量，其中 1#、2# 管有6 个测温点，3#、4# 管有 4 个测温点， 室内空气温度 用数显温度计测量，加热电流和t加热电压直接从数显仪表上读取。4间隔 20
5、分钟再测一次，若两次数据误差小于 1%，则说明达到稳态，即不再测量。用最后一次测的数据进行数据处理。若误差较大，可过 20 分钟再测一次。5测量完结束实验，但不要关闭电源，以备后面的同学进行实验。6测试数据记录表岸标测量管壁温度 tw1,Tw2,tw3twn 室内空气温度 t 、电流 I、电压 V。记录在表中。管壁各点温度 twi（）管号测量次数tw1 tw2 tw3 tw4 tw5 tw6空气温度t平均壁温tw加热电流 I（A ）加热电压 V（V）1 82.9 83.2 87.4 78.1 73.9 69.0 36.0 79.08 1.0 541#2 82.7 83.4 87.3 78.3
6、74.2 69.1 36.0 79.17 1.0 531 78.7 82.6 78.2 74.1 66.4 70.7 36.0 75.12 0.54 302#2 78.7 82.2 78.0 74.4 66.4 70.6 36.0 75.05 0.56 311 82.1 84.3 81.7 78.5 36.0 81.65 0.38 363#2 82.7 84.7 81.8 78.7 36.0 81.98 0.38 361 61.8 71.2 68.8 65.4 36.0 66.8 0.16 294#2 62.3 72.3 70.0 66.5 36.0 67.78 0.16 28五、实验数据处理
7、1已知数据管号 管径 d(m) 管长 l(m) 黑度 1# 0.08 1.6 0.112# 0.06 1.2 0.153# 0.04 0.8 0.154# 0.02 0.5 0.1542数据处理(1) 计算加热的热量 =IV（W)、平均壁温、定性温度，定性温度取管壁温度和空气温度的平均值 。2ttwm计算举例：以第一组为例。=IV=1.054=54（w ）平均壁温 =79.17ntt21 61.692743.84.837=57.59 ttwm0.367.9则所有数据处理后如下表管号 平均壁温 tw 定性温度 mt加热的热量 1 79.17 57.59 532 75.05 55.53 17.36
8、3 81.98 59.00 12.964 67.78 51.89 4.48(2) 计算自然对流传热系数 44010)()()( TtCtAIVttAh wwwrw 以管 1 数据为例： 44010)( TtCtIVhww 442 10273.610273.9367.5).367.9()4.136.0814.3(5=3.017-0.905=2.112 同理可以求取其他管数据如下：管号 1 2 3 4h 2.112 0.732 1.520 3.275(3) 查出物性参数5在教科书的附录中查得空气的导热系数 、热膨胀系数 、运动粘度 和普朗特数Pr。管号 导热系数 热膨胀系数 运动粘度 普朗特数 P
9、r1 0.0287 0.00302 0.0000189 0.69752 0.0285 0.00304 0.0000188 0.69703 0.0289 0.00301 0.00001895 0.69654 0.0283 0.00308 0.0000180 0.6979(4) 整理准则方程四根管的数据代入准则方程，可求出四组 Nu、GrPr 的数值，取对数后绘在直角坐标纸上，以 lnNu 为纵坐标,ln(GrPr) 为横坐标。把数据点连成一条最佳的直线，求出直线的斜率 n 和截距 lnC，再反求出 C。即可求出准则方程式：nGrNuP)(以 1 号管为例进行计算：= =5.882hd0287.=
10、183130823tgr230189.0.)6(9GrPr=18313080.6975=1277337同理可得其他管数据：管号 Nu Gr GrPr lnNu ln(GrPr)1 5.882 1831308 1277337 1.772765 14.060292 1.540 710982.2 495554.6 0.432466 13.113433 2.104 241725.84 168362 0.743748 12.033874 2.314 23685.12 16529.85 0.839188 9.712923利用数据进行拟合得：6y = 0.3635x - 3.376100.511.525 7 9 11 13 15ln(GrPr)ln(Nu)lnNu =0.36351ln(GrPr) 3.3766求出直线的斜率 n= 0.3635 和截距 lnC= 3.3766C=0.034=nGrCNuP)(2651.0r)(9.
