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实验指导书(空气沿横置圆管表面自然对流平均换热系数的测定)空气沿横置圆管表面自然对流平均换热系数的测定实验一、实验目的及要求1．目的（1）学习在自然对流实验台上研究空气沿横置圆管表面自然对流换热的方法。
（2）测定空气沿横置圆管表面自然对流时的平均换热系数α。
（3）将实验数据整理成准则方程，从而掌握空气沿横置圆管表面自然对流换热的规律。
2．要求（1）充分理解实验原理。
（2）必须懂得在实验中应记录哪些量。
（3）能独立地将测量数据整理成准则方程，正确区分实验法确定换热系数的两种方法的优、缺点以及适用范围，从而巩固课堂上学过的知识。
二、实验原理影响自然对流的换热系数α的五大因素有：1．由流体冷、热各部分的密度差产生的浮升力；2．流体流动的状态；3．流体的热物性； 4．换热壁面的热状态； 5．换热壁面的几何因素；依据相似理论，它们之间的关系包含在准则方程,,f f f f w Pr Nu f Gr Pr Pr ⎡⎤⎛⎫=⎢⎥ ⎪⎝⎭⎣⎦ 之中。
由于本实验中介质为空气，其物性随温度的变化较小，空气的Pr 值随温度的变化不大，Pr ≈0.72，故相应的准则方程可简化为：Nu f = f (Gr f )对流换热问题的准则函数形式，通常采取指数函数的形式表示：Nu f = c Gr f n式中：Nu f ——努谢尔特准则Nu f =αD λGr f ——葛拉晓夫准则 Gr f =β·g·Δt·D 3ν2系数c ，上标n —— 均为需通过实验来确定的常数。
上述各准则中，有关的物理量及其单位分别为： α —— 对流换热系数 W /（m 2·Κ） D —— 实验单管外径 mλ——空气的导热系数W/（m·Κ）β——介质的膨胀系数K-1g ——重力加速度m / s2Δt——介质和管壁表面之间的温差Kν——运动粘性系数m2/ s下标f——表示各准则以流体介质在物体边界层以外处的温度t f为定性温度。
湖南大学实验报告一、实验目的1. 测定单根横管对周围空气自然对流时的表面传热系数；2. 用多个工况的实验数据整理成大空间自然对流的实验关联式；3. 加深对自然对流换热规律的理解。
二、实验原理被加热的水平横管，其表面壁温为w t ，周围环境空气温度为f t 。
当w t ＞f t 时，横管附近空气由于受到横管的直接加热，导致温度升高，密度变小，又因为密度的不均匀而引起浮升力，使得横管周围的空气开始沿横管表面向上运动，而周围的空气又补充到横管周围，如此循环，形成自然对流换热。
动力设备、蒸汽管道等周围都存在类似的对流换热。
根据牛顿公式，在稳定状态下，加热横管表面由于对流换热而散失的热量CQ 可由下式计算：)(f w C t t hA Q -= W （1） 式中：h ——壁面平均换热系数，W/（m 2·K ）； A ——横管有效换热面积，m 2； w t ——横管壁面平均温度，℃；f t ——空气主流温度，℃。
如果考虑横管表面对空间辐射的影响，还有一部分热量由管壁以辐射方式向外散热，散热量可由下式计算：])100()100[(44f w R T TA Q -⋅⋅=δε W （2）式中：ε——管子表面黑度，ε＝0.1（根据横管表面黑度确定，软件可自己设定）；δ——黑体辐射常数，δ＝5.67 W/（m 2·K 4）;A ——管子表面积，m 2； w T ——管子壁面平均温度，K ；f T ——空气温度，K 。
根据式（1）和式（2），当达到稳定状态时，横管传给空气总的热量，在忽略管子端部散热的前提下，应等于管子内部电加热器所产生的热量Q ，而R C Q Q Q +=，因此若测得壁温w t 和空气温度ft ，那么对流换热系数h ，可由下式求得：)( —f w Rt t A Q Q h -=W/(m 2.K) （3）根据相似理论，自然对流的准则方程可整理成：n r r u P G C N )(⋅= （4）式中：Nu ——努塞尔数，Nu=h·D / λ；Gr ——葛拉晓夫数，Gr=g βD 3 (t w －t f ) /υ2； Pr ——普朗特数，对于空气，见附录空气参数表；λ——流体导热系数，W/(m·K)；D ——横管直径，m ；β——流体的体积膨胀系数，理想气体β=1 / t m -1K ； υ——流体运动粘度，m 2/s ； △t ——壁面与空气的温差，℃。
实验三、空气沿横管外表面自然对流换热实验一、实验目的1、测定无限空间内水平横管和空气间自由流动时的放热系数。
2、根据自由流动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的理解，并初步掌握在相似理论指导下进行实验研究的方法。
二、实验原理根据相似原理，空气自由流动放热过程准则方程由下式描述：)(γγP G f N u ⋅=通常用幂函数形式来表示：n u P G c N )(γγ⋅=通过实验确定准则方程式的函数形式，即确定准则方程式中的系数C 和指数n 。
λαdN u =2322υβνβγtd g tg G ∆=∆=ανγ=P（ P γ准则数也可以根据定性温度由书后附录查得）d —定型尺寸即横管外径； g —重力加速度：t m —定性温度。
t m =2w ft t +△t — △t=t w -t fv —空气运动粘度； λ—空气导热系数； β—空气容积膨胀系数，β=1mT 为了具体确定（1）式，根据相似定理，通过实验测得或者从书后附录中查得上述所有物理量。
而放热系数α是通过计算求得的。
由热量平衡，水平横管内电加热器发出的热量等于横管上空气自由流动放热量加横管辐射换热热量。
电加热器发热量Q=IV （W ） 横管上空气自由流动放热量Q=αF （t w -t f ） （W ）其中；F=dI π2（m ） I 为计算管长（m ）。
横管辐射换热量Q=44[100100f o T T C F ωε-（）（） ] （W ） 其中： ε—横管表面黑度，查附录7，磨光的铬ε=0.058；Co —黑体辐射系数，Co=5.67（W/㎡•K 4） 由于： Q=Q 1+Q 2 即：IV=4[100f o T Ft t C F ωωαω-+-4f T （）（）（）]10044[]100W O f T IV C F F t t ωεα--=-f T （）（）100（）W/㎡•℃ （2）三、实验装置实验装置有试验管（为降低辐射散热量的影响，试管表面镀铬抛光），放试验管的支撑架，转换开关盒等。
实验 自然对流横管管外传热系数测试一、实验目的和要求1.了解空气沿管表面自然对流传热的实验方法，巩固课堂上学习的知识；2.测定单管的自然对流传热传热系数h ；3.根据对自然对流传热的相似分析，整理出准则方程式。
二、实验原理对铜管进行电加热，热量应是以对流和辐射两种方式来散发的，所以对换热量为总热量与辐射热换热量之差，即：r c Φ+Φ=Φ)(f c t t hF -=Φω⎥⎦⎤⎢⎣⎡----=44)100(100()()(f f f T T t t Co t t A IV h ωωεωΦr ——辐射换热量Φc —对流换热量ε—试管表面黑度C o —黑体的辐射系数t ω—管壁平均温度t f —室内平均温度h —自由运动系数根据相似理论，对于自由对流放热，努谢尔特数Nu 是葛拉晓夫数Gr ，普朗特数Pr 的函数即：)(r r u P G f N =可表示为nr r u P G c N )(=其中c 、n 是通过这个实验所确定的常数。
为了确定上述关系式的具体形式，根据所测定的数据计算结果求得准则数：λhdNu =33v d t g Gr v α∆=Pr 、αv 、λ、v 物性参数由定性温度从教科书中查出。
改边加热量，可求得一组准则数，把几组数据标在对数坐标纸上得到以Nu 为纵坐标、以Gr 、Pr 为横坐标的一系列点，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c 。
Pr)lg(lg lg ⋅+=Gr n c Nu三、实验装置以及测量仪表实验装置有试验管（四种类型），测量仪表有电位差计、TDGC型接触式调压器、稳压器、电流表、电压表。
实验管上有热电偶嵌入管壁，可反应出管壁的热电势；电位差计用于测量室内和管壁的电热势；稳压管可稳定输入电压，使加热管的热量保持一定；电压、电流表测定电加热器的电压和电流。
如图7-1所示。
图7-1四、实验步骤1.按电路图接好电线，经指导老师检查后接通电源；2.调整稳压器，对试验管加热；3.稳定六小时后，开始测管壁温度，计下数据；4.间隔半小时再计一次，直到两组数据一致为止；5.选两组接近的数据取平均值，作为计算数据；6.计下半导体温度计指示的空气温度或用玻璃温度计；7.经过指导老师同意，将调压器调整回零位，切断电源。
专业：姓名：学号：日期：Array地点：表1 竖管对流传热系数测定实验装置流程图符号说明表空气-水蒸气换热流程：来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器，与被风机抽进的空气进行换热交换，冷凝水经排出阀排入盛水装置。
空气由风机提供，流量通过变频器改变风机转速达到自动控制，空气经孔板流量计进入套管换热器内管，热交换后从风机出口排出。
注意：本实验中，普通和强化实验通过管路上的切换阀门进行切换。
三、实验内容和原理在工业生产过程中，大量情况下，采用间壁式换热方式进行换热。
所谓间壁式换热，就是冷、热两种流体之间有一固体壁面，两流体分别在固体壁面的两侧流动，两流体不直接接触，通过固体壁面（传热元件）进行热量交换。
本装置主要研究汽—气综合换热，包括普通管和加强管。
其中，水蒸汽和空气通过紫铜管间接换热，空气走紫铜管内，水蒸汽走紫铜管外，采用逆流换热。
所谓加强管，是在紫铜管内加了弹簧，增大了绝对粗糙度，进而增大了空气流动的湍流程度，使换热效果更明显。
1、 空气在传热管内对流传热系数的测定如图2所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。
Tt图1间壁式传热过程示意图图2 间壁式传热过程示意图间壁式传热元件，在传热过程达到稳态后，有热流体与固体壁面的对数平均温差可由（2）式计算：固体壁面与冷流体的对数平均温差可由（3）式计算：热、冷流体间的对数平均温差可由（4）式计算：冷流体（空气）的质量流量可由（5）式计算：注意：空气在无纸记录仪上显示的体积流量，与空气流过孔板时的密度有关，考虑到实际过程中，空气的进口温度不是定值，为了处理上的方便，无纸记录仪上显示的体积流量是将孔板处的空气密度ρ0当作1kg/m3时的读数，因此，如果空气实际密度不等于该值，则空气的实际体积流量应按下式进行校正：当内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度较薄时，可认为同一截面处换热管二侧壁温近似相等，即TW2≈ tW1，TW1≈ tW2,在传热过程达到稳定后，由式（1）可得：即：一般情况下，直接测量固体壁面温度，尤其是管内壁温度，实验技术难度较大，因此，工程上也常采用通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流传热系数。
实验三 对流传热实验一、实验目的1.掌握套管对流传热系数i α的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解，应用线性回归法，确定关联式4.0Pr Re m A Nu =中常数A 、m 的值；2.掌握对流传热系数i α随雷诺准数的变化规律； 3．掌握列管传热系数Ko 的测定方法。
二、实验原理㈠ 套管换热器传热系数及其准数关联式的测定⒈ 对流传热系数i α的测定在该传热实验中，冷水走内管，热水走外管。
对流传热系数i α可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定iii S t Q ⨯∆=α （1）式中：i α—管内流体对流传热系数，W/(m 2·℃)； Q i —管内传热速率，W ； S i —管内换热面积，m 2；t ∆—内壁面与流体间的温差，℃。
t ∆由下式确定： 221t t T t w +-=∆ （2） 式中：t 1，t 2 —冷流体的入口、出口温度，℃；T w —壁面平均温度，℃；因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用t w 来表示。
管内换热面积： i i i L d S π= （3） 式中：d i —内管管内径，m ；L i —传热管测量段的实际长度，m 。
由热量衡算式：)(12t t Cp W Q m m i -= （4）其中质量流量由下式求得：3600mm m V W ρ=（5） 式中：m V —冷流体在套管内的平均体积流量，m 3 / h ； m Cp —冷流体的定压比热，kJ / (kg ·℃)； m ρ—冷流体的密度，kg /m 3。
m Cp 和m ρ可根据定性温度t m 查得，221t t t m +=为冷流体进出口平均温度。
t 1，t 2， T w ， m V 可采取一定的测量手段得到。
⒉ 对流传热系数准数关联式的实验确定流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为n m A Nu Pr Re =. （6）其中： i i i d Nu λα=， m m i m d u μρ=Re ， mmm Cp λμ=Pr 物性数据m λ、m Cp 、m ρ、m μ可根据定性温度t m 查得。
实验三 空气横掠单圆管时受迫对流换热一、 目的了解空气横掠单圆管时受迫对流的换热规律。
测定空气横掠单管时平均换热系数，并整理成准则关系式Nu =CRe n 的形式。
二、 原理根据对流换热的分析，流体横掠单管时的换热规律可以用下列准则关系式来表示：Nu m = f (Re ,Pr )对于空气，温度变化范围不大，上式中的普朗特数Pr 的变化很小，可作为常数看待。
故上式可简化为：n m m C Nu Re = （1）如圆管表面具有的温度为t w 而空气温度为t f ，根据牛顿冷却公式，在稳定传热情况下，空气横向掠过圆管所带走的热量为()f w t t hF Q -=如果在试验中能够测定圆管的表面温度t w ，空气温度t f 以及圆管表面所散出的热量Q ，则平均换热系数就可以用下列公式求出： h =Q/F(t w -t f )通过试验要来确定空气横掠单圆管的换热准则关系式Nu =f (Re )。
为使实验中Re 数有较大的变动，则可通过改变空气流速w 和管子直径d 来达到。
为此在本实验中，采用了不同直径的管子在不同的空气速度条件下进行试验，从而可以求得不同Re 数下，不同的h 值。
根据定性温度t m =(t f +t w )/2可以把这些h 整理成许多无因次准则Nu m ，此地Nu m =hd o /λm ，Re=wd o /v m ，其中空气物性参数可查表。
然后将这些准则数按线性回归法整理成式(1)形式的准则关系式。
三、实验装置本试验装置的由电锅炉、风机和传热管和凝结液位计组成。
风机出口处安装有均流格珊，以保证试验段中有均匀的空气流速。
传热管横向安置在风道试验段中间。
管内通过的蒸汽为饱和蒸汽，可保证管壁温度为一恒定值。
图3-1 测定空气横掠单圆管时平均换热系数的试验装置及测量系统调整电锅炉的出口蒸汽压力可改变传热管的表面温度。
试验段中的空气流速可借助源吸入口处的调节风门来调节。
试验管所处风道中装有毕托管。
传热学实验二 空气沿横管表面自然对流换热一、 实验目的1. 测定大空间内横管周围空气自然对流时的表面传热系数；2. 根据自然对流换热过程的相似分析，将多个工况的实验数据整理成大空间自然对流实验关联式；3. 通过实验加深对相似理论和自然对流换热规律的理解，并初步掌握在相似理论指导下进行实验研究的方法。
二、 实验原理1. 被加热的水平横管，其表面壁温为t w ，周围环境空气温度为t f 。
当 t w ＞t f 时，横管附近空气由于受到横管的直接加热，导致温度升高，密度变小；又因为密度的不均匀而引起浮升力，使得横管周围的空气开始沿横管表面向上运动，而周围的空气又补充到横管周围，如此循环，形成自然对流换热。
2. 根据牛顿公式，在稳定状态下，加热横管表面由于对流换热而散失的热量Q c可由下式计算：Q c =ℎA(t w −t f ) W （1）式中：h ——壁面平均换热系数，W/（m 2·K ）； A ——横管有效换热面积，m 2； t w ——横管壁面平均温度，℃；t f ——空气主流温度，℃。
3. 考虑横管表面对空间辐射的影响，还有一部分热量由管壁以辐射方式向外散热，散热量可由下式计算：Q R =εδA [(T w 100)4−(T f100)4] W （2）式中：ε——管子表面黑度（ε1＝0.11，ε2＝ε3＝ε4＝0.15）； δ——黑体辐射常数，δ＝5.67 W/（m 2·K 4）; A ——管子表面积，m 2； T w ——管子壁面平均温度，K ；T f——空气温度，K。
4.根据式（1）和式（2），当达到稳定状态时，横管传给空气总的热量，在忽略管子端部散热的前提下，应等于管子内部电加热器所产生的热量Q，即Q= Q c+Q R=IU，因此若测得壁温t w和空气温度t f，那么对流换热系数h，可由下式求得：ℎ=Q−Q RA(t w−t f)=IU−εδA[(T w100)4−(T f100)4]A(t w−t f)（3）5.根据相似原理，自然对流换热过程准则方程由（4）式所示：Nu=C(Pr∙Gr)n（4）Nu=ℎdλ（5）Pr=νa（6）Gr=gβd3Δtυ2（7）式中：Nu——努塞尔数；Gr——格拉晓夫数；Pr——普朗特数，由定性温度查附录空气参数表；λ——空气导热系数，W/(m·K)；d——横管外径，m；β——空气的体积膨胀系数，理想气体β=1t m+273.15，-1K；ν——流体运动粘度，m2/s；Δt——壁面与空气的温差，℃。
