实验8气一气热管换热器传热特性研究 [实验目的 1.熟悉热管换热器的工作原理和使用方法： 2.掌握气-气热管换热器传热量Φ和传热系数K的测量： 3.实验研究气-气热管换热器性能与风温、风速及热管倾斜角度等因素的关系。 [实验原理] 热管是20世纪60年代发展起来的具有特别高的 导热性能的传热元件。它的结构比较简单，图8-1 为其工作原理示意图。 管壳一般采用金属管，两端封死。在封死前先 Φ 将管内抽真空，灌入适量的工作液。热管从下向上， 冷段 依次分成三段，即蒸发段（又称热端）、绝热段、冷 凝段（又称冷瑞）。工作时，蒸发段的工作夜被管外 的热流体加热，吸收潜热蒸发，其蒸气经绝热段流 向冷凝段，工作液蒸气放出潜热，凝结为液体。蒸 气液化释放出来的潜热通过管壁传递给热管外面的 冷流体。积聚在冷凝段的凝结液，在重力的作用下 返回到蒸发段，再吸热蒸发。这样，通过工作液体 的不断蒸发、凝结，把热管下半部热流体的热量连 续地传递到热管上半部的冷流体中去。这种依靠重 力使冷凝液回流的热管称为重力热管。这时冷凝段 必须位于蒸发段之上。 气-气热管是指热管管外热流体和冷流体均为 气体，因气体传热时热阻较大，为强化其传热，在 图8-1重力热管示意图 热管的蒸发段和冷凝段外部安装了翅片。 在热管传热过程中，热管外部热流体在热端放热，热流量为 D1=4P,c,G-t9) (8-1) 式中g1一一热端空气体积流量，m3/s: P1一一热端进口空气密度，kg/m3:
实验 8 气—气热管换热器传热特性研究 [实验目的] 1.熟悉热管换热器的工作原理和使用方法； 2.掌握气-气热管换热器传热量 和传热系数 K 的测量； 3.实验研究气-气热管换热器性能与风温、风速及热管倾斜角度等因素的关系。 [实验原理] 热管是20世纪60年代发展起来的具有特别高的 导热性能的传热元件。它的结构比较简单，图 8-1 为其工作原理示意图。 管壳一般采用金属管，两端封死。在封死前先 将管内抽真空，灌入适量的工作液。热管从下向上， 依次分成三段，即蒸发段（又称热端）、绝热段、冷 凝段（又称冷端）。工作时，蒸发段的工作液被管外 的热流体加热，吸收潜热蒸发，其蒸气经绝热段流 向冷凝段，工作液蒸气放出潜热，凝结为液体。蒸 气液化释放出来的潜热通过管壁传递给热管外面的 冷流体。积聚在冷凝段的凝结液，在重力的作用下 返回到蒸发段，再吸热蒸发。这样，通过工作液体 的不断蒸发、凝结，把热管下半部热流体的热量连 续地传递到热管上半部的冷流体中去。这种依靠重 力使冷凝液回流的热管称为重力热管。这时冷凝段 必须位于蒸发段之上。 气-气热管是指热管管外热流体和冷流体均为 气体，因气体传热时热阻较大，为强化其传热，在 热管的蒸发段和冷凝段外部安装了翅片。 在热管传热过程中，热管外部热流体在热端放热，热流量为 ( ) 1 1 1 1 1 1 q c t t V = − （8-1） 式中 qV1 ——热端空气体积流量， m s 3 ； 1——热端进口空气密度， 3 kg m ； 1 2 冷 凝 段 绝 热 段 蒸 发 段 图 8-1 重力热管示意图
G一一热端空气平均比定压热容，J/kgK): 、”一一热端空气进、出口温度，C。 同时，热管外部冷流体在冷端吸热，热流量为 :=qv2p:c2(:-t) (8-2) 式中g2一一冷端空气体积流量，m3小： P2一一冷端进口空气密度，kg/m3: C2一一冷端空气平均比定压热容，J/kgK) 、5一一冷端空气进、出口温度，·C。 如果忽略散热损失，热管的传热量为 0=+ (8-3) 2 由传热方程，可得传热系数 K=- Φ (8-4) A,△t 式中A2一一冷端的传热面积（散热面积），A=0.736m2): △1一一热端与冷端的传热温差，·C。 4M=3+)-g+) (8-5) 2 为了得到热端和冷端的空气体积流量4，、9，需要分别测量热端和冷端的空气 流速片，、”2。应用毕托管装置，可测量空气的总压p与静压P之间的压差△p,由伯 努利方程计算流速。 对于热端空气，流速为
1 c ——热端空气平均比定压热容， J (kgK) ； 1 t、 1 t——热端空气进、出口温度， C o 。 同时，热管外部冷流体在冷端吸热，热流量为 ( ) 2 2 2 2 2 2 q c t t V = − （8-2） 式中 qV 2——冷端空气体积流量， m s 3 ； 2 ——冷端进口空气密度， 3 kg m ； 2 c ——冷端空气平均比定压热容， J (kgK) ； 2 t 、 2 t——冷端空气进、出口温度， C o 。 如果忽略散热损失，热管的传热量为 2 1 2 + = （8-3） 由传热方程，可得传热系数 A t K 2Δ = （8-4） 式中 A2——冷端的传热面积（散热面积）， ( ) 2 A2 = 0.736 m ； Δt ——热端与冷端的传热温差， C o 。 ( ) ( ) 2 Δ 1 1 2 2 t t t t t + − + = （8-5） 为了得到热端和冷端的空气体积流量 qV1 、qV 2 ，需要分别测量热端和冷端的空气 流速 1 v 、 2 v 。应用毕托管装置，可测量空气的总压 p 与静压 0 p 之间的压差 Δp ，由伯 努利方程计算流速。 对于热端空气，流速为
-520m-a0 .2p, (8-6) 式中P,、P。一一热端测速段空气的总压和静压，P: p,一一热端测速段空气的总压与静压压差，p,=P1一P1。,P 5—热端测速段皮托管压差修正系数，气=1.036： a1一一热端测速段皮托管流速修正系数，a1=√气=1.018。 热端空气体积流量为 41=y,S (8-7) 式中S一一测速段风道截面积，m2。 S=l (8-8) 式中D-一测速段风道内径，D=0.098m2。 对于冷端空气，流速为 6a (8-9) 式中P2、P如一一冷端测速段空气的总压和静压，P: △p2一一冷端测速段空气的总压与静压压差，p2=P2一P2a,P: 5,一一冷端测速段皮托管压差修正系数，52=1025： c2一一冷端测速段皮托管流速修正系数，a2=√52=1.012。 冷端空气体积流量为 42=2S (8-10) [实验装置]
( ) 1 1 1 1 1 10 1 1 2 2Δ p p p v = − = （8-6） 式中 1 p 、 p10 ——热端测速段空气的总压和静压， Pa ； Δp1 ——热端测速段空气的总压与静压压差， Δp1 = p1 − p10，Pa ； 1——热端测速段皮托管压差修正系数， 1 = 1.036 ； 1 ——热端测速段皮托管流速修正系数， 1 = 1 = 1.018。 热端空气体积流量为 qV1 = v1S （8-7） 式中 S ——测速段风道截面积， 2 m 。 2 4 1 S = D （8-8） 式中 D ——测速段风道内径， 2 D = 0.098m 。 对于冷端空气，流速为 ( ) 2 2 2 2 2 20 2 2 2 2Δ p p p v = − = （8-9） 式中 2 p 、 p20——冷端测速段空气的总压和静压， Pa ； Δp2——冷端测速段空气的总压与静压压差， Δp2 = p2 − p20 ，Pa ； 2 ——冷端测速段皮托管压差修正系数， 2 = 1.025 ； 2——冷端测速段皮托管流速修正系数， 2 = 2 = 1.012。 冷端空气体积流量为 qV 2 = v2S （8-10） [实验装置]
气-气热管实验台结构示意图，如图8-2所示。 2 13 图8-2气-气热管实验台结构示意图 1冷端风机2.冷端测温点3.老压传感器或差压测量装置4冷端空气测速毕托管五冷端空气通道 6,热端测温点7.热端风机8.电加热器组9.热端空气测速华托管10.差压传感器或差压测量装置 1山.热管组12.工作台旋转器13、仪表盘 实验台主要由翅片式（铝轧片管）热管换热器、电加热器组、冷热端风机、风量调 节阀门、测速毕托管、差压测量装置、数显式测温测压系统和工作台组成，结构特点为 (1)热端空气采用循环系统，系统升温快速，省电： (2)热风电加热系统无级调节，因而温度调节灵活、稳定 (3)采用数显式测温、测压系统，具有快速、准确、方便等特点： (4)实验台可绕支点向前旋转90°，除了可测量热管换热器热端及冷端的空气温度、 流速等参数与换热量的关系外，还可进行热管倾斜角度对热管传热性能影响的测量。 实验台采用Φ12mm的单根热管，其结构如图8-3所示。单根热管的几何尺寸为： 基管外径d=12mm,翅片外径D=27mm,基管厚度s=1.2mm 基管长度L1=338mm,翅片长度L2=330mm,翅片间距t=1.8mm
气-气热管实验台结构示意图，如图 8-2 所示。 图 8-2 气-气热管实验台结构示意图 1.冷端风机 2.冷端测温点 3.差压传感器或差压测量装置 4.冷端空气测速毕托管 5.冷端空气通道 6.热端测温点 7.热端风机 8.电加热器组 9.热端空气测速毕托管 10. 差压传感器或差压测量装置 11.热管组 12. 工作台旋转器 13、仪表盘 实验台主要由翅片式（铝轧片管）热管换热器、电加热器组、冷热端风机、风量调 节阀门、测速毕托管、差压测量装置、数显式测温测压系统和工作台组成，结构特点为 （1）热端空气采用循环系统，系统升温快速，省电； （2）热风电加热系统无级调节，因而温度调节灵活、稳定； （3）采用数显式测温、测压系统，具有快速、准确、方便等特点； （4）实验台可绕支点向前旋转 o 90 ，除了可测量热管换热器热端及冷端的空气温度、 流速等参数与换热量的关系外，还可进行热管倾斜角度对热管传热性能影响的测量。 实验台采用 12mm 的单根热管，其结构如图 8-3 所示。单根热管的几何尺寸为： 基管外径 d = 12mm ，翅片外径 D = 27mm ，基管厚度 s = 1.2mm ， 基管长度 L1 = 338mm ，翅片长度 L2 = 330mm ，翅片间距 t = 1.8mm ， 11 9 1 2 3 4 5 6 7 10 12 13 8
翅片厚度sn=0.3mm,翅片高度h,=7mm。 换热器由8根热管组成，沿竖向排成3列，排列方式为叉排。热端及冷端传热表面 积为41=A2=0.736m2。 图8-3气-气热管几何结构示意图 实验台巡检仪通道设置，如图8-4所示。 12345678 热 热 热 预 预 端 端 端 端 留 留 进 出 进 出 比 口 口 ◇ 托 的 温 的 的 管 度 ⑧ 动 动 压 压
翅片厚度 sn = 0.3mm ，翅片高度 hf = 7mm 。 换热器由 8 根热管组成，沿竖向排成 3 列，排列方式为叉排。热端及冷端传热表面 积为 2 A1 = A2 = 0.736m 。 图 8-3 气-气热管几何结构示意图 实验台巡检仪通道设置，如图 8-4 所示。 1 2 3 4 5 6 7 8 热 端 进 口 温 度 热 端 出 口 温 度 冷 端 进 口 温 度 冷 端 出 口 温 度 热 端 比 托 管 动 压 冷 端 比 托 管 动 压 预 留 预 留 d D s n s t f h