实验2 空气横掠单管强迫对流的换热实验
热交换器中广泛使用各种管子作为传热元件，其外侧通常为流体横向掠过管子的强制对流换热方式，因此测定流体横向掠过管子时的平均换热系数是传热中的基本实验。本实验是测定空气横向掠过单圆管时代平均换热系数。 一、实验目的及要求
1、了解实验装置，熟悉空气流速及管壁的测量方法，掌握测试仪器、仪表的使用方法。
2、通过对实验数据的综合、整理，掌握强制对流换热实验数据整理的方法。
3、实验测定空气横掠单管时的平均换热系数；了解空气横掠管子时的换热规律。、 二、实验原理
1. 根据牛顿冷却公式： 得
h?QF(tw?tf)Q?hF(tw?tf) (W) (6-2-1)
(W/m2?℃) (6-2-2)
式中 Q—对流换热的热流，[W]； h—对流换热系数，[W/m2?℃]； F—与流体接触的物体表面面积，[m2]； f—流体平均温度，[℃]； tw—物体表面温度，[℃]。
t 本实验采用电加热的放热圆管，空气外掠圆管表面，当换热稳定时，测出加热电功率，即可得出对流换热热流Q，即： Q?IU (W) (6-2-3) 2. 根据对流换热的分析，强制对流稳定时的换热规律可用下列准则关系式来表示：
Nu?f(Re,Pr) (6-2-4)
对于空气，因温度变化范围不大，上式中的普朗特数Pr变化很小，可作为常数看待，故式(6-2-4)化简为：
Nu?f(Re) (6-2-4a)
式中 努谢尔特数 雷诺数
Nu?hD?
vDRe??
h—空气横掠单管时的平均换热系数，[W/m2?℃]； v—空气来流速度，[m/s]； D—定型尺寸，取管子外径，[m]； ?—空气的导热系数，[W/m?℃]； ?—空气的运动粘度，[m2/s]。
要通过实验确定空气横掠单圆管时的Nu与Re的关系，就需要测定不同流速v及不同管子直径D时换热系数h的变化。因此，本实验中要测量的基本量为管子所处的空气流速v、空气温度f、管子表面温度tw及管子表面散出的热量Q。 三、实验装置及测量系统
t 实验装置本体是由一风源和试验段构成。 风源为一箱式风洞，风机、稳压箱、收缩口都设置在工作台内。风箱中央为空气出风口，形成均匀流速的空气射流。试验段的风道直接放置在出风口上。风道内的空气流量由变频器19来调节，可以改变实验段风道中空气流速。
图4-1为测定空气横掠单管平均换热系数的试验段简图。
1、电源开关 2、仪表开关 3、交流供电开关 4、交流调压旋钮 5、直流大功率电源 6、差压表 7、交流功率表 8、电流表 9、电压表 10、十六路温度巡检仪 11、四路温度巡检仪 12、毕托管 13、风道 14、单管试件15、供电电极 16、热电偶（测管壁温）17、热电偶（测来流温）18、分流器 19、变频器
实验段风道13由有机玻璃制成。试验件14为不锈钢薄壁管，横
置于风道中间。为了保证管子加热测量及管壁温度测量的准确性，管子用低压直流电直接通电加热，管子两端经接座与电源导板15连接，并易于更换不同直径的试验管。为了准确测定试验管上的加热功率，在离管端一定距离处有两个电压测点a、b，以排除管子两端的影响。铜-康铜电偶16设在管内，在绝热条件下准确测出管内壁温度，从而确定管外壁温度。
试验管加热用的低压大功率直流电源5供给，输出电流（压）可改变对管子的加热功率，电路中串联一标准电阻18。用直流电压表9测量电阻18上的电压降，然后确定流过单管试件的电流量。试件两测压点a、b间的电压亦用直流电压表测量。
为了简化测量系统，测量管内壁温度tw的热电偶，其参考点温度不是摄氏零度，而是来流空气温度tf。即热电偶的热端16设在管内，冷端17则放在风道空气中。所以热电偶反映的为管内壁温度与空气温度之差（tw-tf）。
风道上装有比托管12，通过差压变送器由压力表直接读数，测出试验段气流的动压△P，以确定试验段中气流的速度v。 四、实验步骤
（1）连接并检查所有线路和设备，合上背板上的空气开关，打开电源、仪表开关。此时交流供电开关应处于关闭状态！打开实验台右侧的变频器开关，调节风机频率到50Hz即最大风量观察毕托管测定风压值。
（2）打开大功率直流电源，将电流（压）调节旋钮旋至输出电
流为20-25A。（注意：稳压电源提供的是恒流源。对试件的加热量主要看供给的电流大小，仪表会同时显示其输出电压值。）稳定后即可测量各有关数据。
（3）保持加热功率不变，风机频率减小，稳定后又可测到一组数据。试验时对每一种直径的管子，空气流速可调整8个工况。加热电流（压）保持不变，亦可根据管子直径及风速大小适当调整，保持管壁与空气中有适当的温差。每调整一个工况，须待压力表，热电偶读数等稳定后方能测量各有关数据。 五、实验数据的计算与整理 试验用二根不锈钢管：
直径D=4.0mm和6.3mm范围，管长为200 mm，测压点ab间距约100mm
1. 空气的来流速度v
根据伯努力方程，毕托管所测得的气流动压?P(N/m2)与气流速度v(m/s)的关系：
?P?12?v2 (Pa) (6-2-5)
v?2???p? (m/s) (6-2-6)
t式中?为空气的密度（kg/m3)，由空气温度f查表确定。 2、管壁温度tw
由铜-康铜热电偶测得, 试验管为有内热源的圆筒形壁，且内壁绝热，因此，内壁温度 t1大于外壁温度tw。由于所用管壁很薄，仅
精编空气横掠单管强迫对流的换热实验-1资料
