湖北中医药高等专科-感恩老师黑板报

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第三类边界条件下管内强制对流换热实验　
东北大学（沈阳１ １０ＯＯ６）张岩张卫军金珠梅　弋＼＜１：　
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—　Ｌ　
【摘要］在第三类边界条件 下，管内强制对流换热实验装置相对较为简单。由于实验避免了对管壁　
多点温度的直接测量，使实验相 对简化。但在实验数据处理时，需利用已有的管外传热实验结果，即外　
部的传热条件必须是能够计算得 到的。此外，本实验结果用于各类管状换热器的设计计算时，管外的介　
质温度往往是已知的，所以利于 推广。　
【关键词］强制对流第三类边界条件换热实验管内传热　
枣　耋　
管内强制对 流换热实验是研究管内强化传热的重　
要途径。典型的管内对流换热实验均以常壁温（第一　
类 边界条件）或常热流（第二类边界条件）做为实验的　
边界条件…。然而，常壁温或常热流条件都必须在 管　
壁外表面上敷设多支热电偶来获得管外壁的温度，再　
通过传导计算出管内壁的平均温度， 这使得实验装置　
的设计和实验过程变得复杂，尤其当管壁内表面几何　
形状复杂，（如带内肋 、伸展体等），或需进行多种管子　
的实验时，实验的测量更加困难。另一方面，在利用实　
验 获得的准则方程进行工程计算时，还需正确估计出　
换热壁温或通过壁面的热流，这往往是困难的。第三 　
温或热流的直接测量，而借助于测量管子外侧的介质　
温度，换算出管内壁温度，进而计算管 内对流换热系　
数。相比之下，第三类边界条件下的实验装置的设计　
和实验简单，实验结果更 利于推广应用。如在用于各　
类管状换热器、冷却器等的设计计算时，管外介质的温　
度往往是 已知的。　
１实验装置设计　
实验装置及测量系统如图１所示。试验管段置于　
恒温水 箱中，以构成第三类边界条件。以变压器油作　
为管内实验介质，为了获得管内的对流换热系数和摩　类 边界条件下管内强制对流换热实验可避开对管子壁　
１—进术玎　２－－Ｕ型管压力计
１１一实 验管１２－－－术温度计
卜取压管４一木管５＿＿回油管６＿Ｉ截止阁　７—排油阀８一出口油温度计< br>１６一油泵１７一油箱１８－－搅拌器
９一活塞　１ｏ＿＿溢流口　
１卜保温层ｌ４一人 口油温度计１５—调节闻１９一电加热器　
图１　实验装置及耐量系统原理图　

擦阻力系数，需测出在不同流速下实验管段的温差和　
得：。ｌ＝　
０　
，
压 降。　
Ｗ／（ｍ＂－・℃）（４）　
２实验数据处理　
２．１测试参数　
（１ ）人口油温　ｎ，℃，由人口温度计１４测得。　
（２）出口油温　，℃，由出口温度计８测得。　（３）实验管段压差　
得　
Ｉｌｌ－ｔ￣－Ｑ（去＋　）］Ａ　
式中Ａ１——管子 内表面积，ｍ２；　
Ａ　——管子内外表面对数平均面积，ｍ２；　
Ａ　＝（Ａ２一Ａ１）／ｌ ｎ（Ａ２／Ａ１）　
ｄ　——平均管径，ｄ　＝（ｄ１＋ｄ２）／２，ｍ；　
（５）油的平均流 速ｗ：　
Ｗ＝　２ｇＡＰ／ｐ，ｍ／ｓ　（５）　
，Ｐａ，由ｕ型管压力计２测　
（４ ）管内油流量　，　／ｓ，由排油阀７采用容积法　
（６）阻力损失　：　
测得。　
（ ５）冷却水温度ｔ　，℃，由温度计１２测得。　
２　２计算参数　
（１）冷却管散热量Ｏ：　
Ｑ：ｃｏｏ（　ｎ一　），Ｗ　（１）　
式中ｃ——油平均比热，Ｊ／（　・℃）；　
ｐ——油平均密度，ｋｇ／ｍ３。　
（２）实验管外表面对流换热系数　２由文献［２］中　
的 关联式计算：　
Ｎｕ＝０　５３（Ｇｒ・Ｐｒ）　（２）　
式中Ｎ“——努赛尔准则，Ｎ　＝ａ ２Ｄ２／２。。；　
Ｇｒ——格拉晓夫准则，Ｇｒ：ｇｌｋ２ｅ，Ｄ２３／口　：　
Ｐｒ——普 朗克准则；　
ｇ——重力加速度，ｍ／ｓ２；　
水的体积膨胀系数，１ｔ１２　ｉ　
△ ｆ——管子外壁温度　∞与水温　之差，℃；　
Ｄ２——冷却管外径，ｍ；　
。。——
水的运动粘度系数，　／ｓ；　
——
水的导热系数，Ｗ／（ｍ・℃）。　
定性温度ｆ　 ＝（　＋ｆ　）Ｉ２　
（３）管外壁温度　２：　
由管外壁的牛顿冷却公式：Ｑ＝。２（ｆ　２ 一ｆ　）Ａ２　
得：　
２＝ｆ　＋（Ｑ／ａ２Ａ２），℃　
（３）　
式中Ａ２ ——实验管外壁表面积，　。　
（４）管内对流换热系数ｃｔ　：　
由圆筒壁传热公式：　＝　△Ｐ　（６）　
式中Ｌ——实验管段长．ｍ；　
Ｄ——当量直径，ｍ。　
（７ ）雷诺数Ｒｅｄ，努赛尔数Ｎａｙ和尤拉数Ｅ　：　
Ｒｅ　＝ＷＤ／ｖ　（７）　
Ｎｕｆ：ａ２ Ｄ／，ｔ／　（８）　
Ｅｕｆ＝△Ｐ　Ｗ　（９）　
式中　厂一管内流体的导热系数，Ｗ／（ｍ ・℃）。　
定性温度　＝（ｔｆｌ＋ｔ￣）／２，定性尺寸Ｄ为当量　
直径。　
２．３ 实验数据整理　
在用式（２）计算管外侧对流换热系数时，需已知管　
外壁的温度，而该温度在 本实验中并未直接测量，由于　
实验系统达到稳定状态后，管壁外表面温度随之确定，　
故可采 用试算逼近法，见计算框图（图２）。　
准则方程设定为：　
Ｎｕｆ＝ＣＲｅ，’Ｐｒ　（１Ｏ ）　
Ｅｕ］＝ｃ＇Ｒ４　（１１）　
对式（１０）、（１１）取自然对数后，通过一次或二次线 　
性回归，获得准则方程。　
３实验实例　
利用本实验装置对变压器油管内冷却进行了 强化　
传热的实验研究。分别对光管、内肋管和内肋管中带　
有扰流线圈的情况进行了实验。对 光管进行实验的目　
的是验证该实验装置的准确性和可靠性，结果表明利　
用本实验装置获得的 光管实验的结果与传统的实验结　
果相一致　

Ｒｅｒ×ｌＯ　３　
围３ 光管的实验曲线　
４结论　
由于本实验避免了对管壁多点温度的直接测量，　
使实验变 得相对简化。这种简化的前提是，在进行实　
验数据整理时，利用了前人已得出的管外传热实验结　果。所以在应用这种实验方法时，应注意外部的换热　
条件必须是能够计算得到的，对于工程上的诸 多内部　
换热的实验研究，本实验方法可以借鉴。　
参考文献　
ｌ　Ｂ．Ａ奥西波娃． 传热学实验研究．蒋章焰，王传院　
译．高等教育出版社。１９８２　
围２数据处理计算机框围 　２杨世铭．传热学．人民教育出版社．１９８２