空气横掠管束时换热的实验研究
空气横掠管束时换热的实验研究
刘慧 热动3班 200723190320
一 摘要：流体横掠管束时的对流传热与横掠单管时不同，除管径影响传热系数外，管距、管排数和排列方式也影响对流传热系数。由于相邻管子的影响，流体在管间的流动截面交叉地减少，流体在管间交替地加速和减速。管距的大小影响流体流动截面的变化程度和流体加速与减速的程度。管束排列方式对h的影响比较明显。
二 关键词：横掠光管；叉排；顺排；换热系数
三 引言：在空气横掠管束时，从第二排起，后排管子都处于前排管子的尾流中。在尾流涡旋的作用下，后排管子的对流传热系数h比前排高，也就是说，第二排管子受第一排尾部涡流的影响，h2＞h1；第三排管子受第二排尾部涡流影响，而且由于这种涡流经第一排和第二排管束的共同作用，扰动更强烈，所以h3＞h2。同样h4＞h3…，但经过几排管子以后扰动基本稳定，hz几乎不再变化。
管束排列方式对h的影响比较明显。叉排时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲流道中流动，顺牌时则流道相对平直。无论是叉排还是顺排，第一排的管子具有流体流过单管时的流动特性和欢乐特征。但从第二排开始，顺排每排管子正对来流的一面处于前排管子的漩涡区，所受的冲击变弱，流动方向较为稳定。而叉排时，由于流动方向的不断改变，虽然流动阻力大，但混合较顺排为佳。一般来说，叉排的平均换热系数要比顺排的时候大。而当Re很大时，由于强烈的漩涡区的扰动，顺排管束的平均换热系数有可能超过叉排，而且在管间距较大时更为明显。
三、实验装置及测量系统：
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、热电偶（测来流温）15、热电偶（测管壁温）16、管束试件（顺、叉排）17、交流0~220V（连续可调）供电电极18、变频器
图 3 本实验台采用的排列方式和尺寸
四、实验步骤：
1、连接并检查所有线路和设备，在仪表正常工作后，关闭直流供电电源！将交流供电源开关打开，调节旋纽先转至零位。
2、然后点击变频器的RUN/STOP键，调节变频器使表头显示为10.0Hz左右。将交流电调节旋纽转至适当位置，注意观察控制箱面板上的功率表，并逐步提高输出功率，对管束缓慢加热。为避免损坏配件，又能达到足够的测温准确度，加热功率大小的调整以使壁面温度控制在80℃以下为原则。待设备参数稳定后，可读取第一组试验数据。
3、保持加热功率不变，巡检仪上各温度显示基本稳定后，再将风机频率由0—50Hz定值递增，每改变一次待稳定后可测到一组数据。试验时对每一种排列的管子，空气流速可调整5个工况以上，都须保持加热功率不变。温度的高低应根据管子排列不同及风速大小适当调整，保持管壁与空气来流有适当的温差即可。
4、同时观察毕托管测速风压显示。调压、调频应配合调整直到系统稳定并便于读取温度、风压、直流电流、直流电压值。
五 实验数据的计算与整理：
流体横掠管束时的平均对流传热系数可按下式计算
（1-1）
式中：
下脚标f —表示定性温度为按来流温度计算。空气来流温度tf用水银温度计测量。
——普朗特数，上式适用于0.7＜500.
——横向节距，m
——纵向节距，m
——以流体平均温度下管间最大流速计算雷诺数，
。其中为流体平均温度下管间最大流速，m/s，
——为管子外径，m。
c, m, n, k, p ——系数和指数
——管排修正系数
——流体斜向冲刷管束时的修正系数
——的计算比较麻烦。如已知未进入管束时的流体速度，则在流体入口温度下的最大流速为：
顺排时
差排时为 和中的最大者，其中
以差排试件为例：采用十八根紫铜管排列，可先算出一根的换热系数
管直径D=10mm管长为120 mm。
空气来流速度u
m/s ( 4.3)
其中： – 比托管测得空气的动压， Pa
ρ–空气密度 Kg/m3
2、管壁温度tw
由铜-康铜热电偶测得的热电势E（t1，tf），可按附录A确定内壁温度t1。
试验中，由装在管内壁的热电偶测量管壁温度，直接由巡检仪读出。由于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（根据管内温度可以计算外壁温度tw。由于所用管壁很薄，仅0.2-0.3mm，且空气对外管的换热系数较小，可近似认为tw= t1。
3、加载实验管两端的电功率
由控制面板上的功率表显示。显示功率为总加热功率，每一根加热管功率Q可由总功率除以加热管根数获得。 Q
4、气流过管外壁时的平均换热系数
α= W(m℃)
其中：A--试验管外表面积 ㎡
5、换热准则方程式
将计算得到的某一流速下的每一根加热管的对流传热系数求和，再除以总根数，可得到管排的平均对流传热系数。 十八根管子的平均换热系数：
根据每一试验工况所测得的值，可计算出相应的Nu值及Re值。
在双对数坐标纸上，以Nu为纵轴，Re为横轴，将各工况点出，它们的规律可近似地用一直线表示：
即：lgNu=a+lgRe (4.8)
则Nu和Re之间的关系可近似表示为一指数方程的形式：
Nu = CRem (4.9)
其中： a=lgC
如用：x=lgRe, y=lgNu ,则可表示成：
y=a+mx
根据最小二乘法原理，系数a及m可按下式计算：
m=
其中： n - 试验点的数目
xy = (lgRe)( lgNu )
x2 = (lgRe)2
叉排实验数据记录与处理：
顺排实验数据记录与处理：
实验分析：有实验结果可看出，顺排与叉排的Nur-Ref曲线比较接近。都是nur随着Ref数的增加而增加，但顺排增加的快些。在Ref数较小时，顺排低于叉排换热效率，但当Ref很大时，顺排又要比叉排的好。 由以上实验所得到的数据可以判断：在相同工况的条件下，叉排管束所表现的换热系数要比顺排的高，说明叉排的换热效果比顺排的好。原因可能是由于换热管的约束，叉排热交换器管后漩涡比顺排热交换器后涡旋小很多，所以叉排换热器的换热能力高于顺排换热器。
但是，比较空气在管束中的速度变化可以看出，叉排虽然换热较好，但有较大的阻力。因此，在高速度的空气特别是固液气固两相流体冲刷时可能会对管束造成损害，影响传热效率与安全因素。而在较小雷诺数时采用叉排可以增加换热效率。
从经济适用方便考虑，叉排不宜安装，容易积灰且不易清洗。而顺排相比较则好得多。
一般来说，换热器的管束排列形式一般都是叉排，顺排非常少见。由于顺排形式的套片式换热器通常比叉排的流动阻力更小，因而对一些流动阻力有限制的场合，可以考虑使用顺排形式的套片式换热器。
参考文献：
1、杨世铭 《传热学》第四版，高等教育出版社，2006年8月；
2、《热工理论基础实验》，长沙理工大学，2008年3月；
3、朱聘冠 《换热器原理及计算》，清华大学出版社，1987年。
4、葛新石 叶宏《传热和介质基本原理》，化学工业出版社，2009年
5孔珑 《流体力学1》，高等教育出版社，北京，2000年
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