大空间外管空气自然对流传热实验装置

摘要

本发明公开了一种大空间外管空气自然对流传热实验装置，可以灵活的研究外管空气自然对流传热规律。该装置包括三部分，一部分为外管悬挂架，一部分为控制采集分析仪，一部分为计算机。外管悬挂架呈长方体框架结构，加热外管用两根吊挂丝挂在两根悬挂横杆上，加热外管表面焊接热电偶，热电偶接控制采集分析仪。控制采集分析仪接计算机，实现实时检测、计算分析。本发明外管悬挂架结构简单，操作灵活方便；设备体积小、数量少、测量精度高；实验范围扩大；实验结果可以实时显示、存储、打印，是一套模块化、智能化、方便而实用的测试分析装置。

说明书

技术领域

本发明涉及传热学自然对流换热的测试和实验装置，尤其是一种大空间外管空气自然对流传热实验装置。

背景技术

自然对流传热现象是自然界中常见的现象，也是工程界和科学界广泛应用的原理现象之一。研究外管在空气中自然对流的规律，具有十分重要的意义。传热界一些著名学者对于大空间水平放置的外管自然对流换热，已经成功地整理成实验关联式，其应用相似理论进行实验研究的方法是高等工科院校教学实验环节必不可少的重要内容。对于外掠圆管的对流传热教学实验装置，许多大学均采用自制设备来完成。如清华大学、天津大学和北京石油大学等院校在教学实验中，利用相似原理，在大空间内水平吊挂几何相似加热管群，吊挂方式不变，并通过多种测量仪器的组合，测量定性温度下的各种物性参数等，来研究水平管空气自然对流现象，确定实验条件下准则关联式。在互联网上，美国FloridaA&M University(佛罗里达农业与机械大学)介绍了在对流传热方面为学生开设的试验装置。Heat Transfer by NaturalConvection、Forced Convection on a Flat Disk教学实验是加热竖板在空气中自然对流传热和水平圆盘的强制对流实验，分别在固定的装置上，通过一系列电子仪表测量一些电热参数、温度和气体速度来确定对流传热系数以及实验关联式。

由此可见，目前的自然对流传热学方面的教学实验设备还都处于传统的框架中，即管或板的放置形式都是固定的，不能方便而灵活地进行设计性试验；而且均通过繁琐的测量形式由诸多的电子仪表的组合来实现。这样的装置不具有开发设计性实验的功能，不能实现测量手段的模块化、智能化以及设备的一体化，在实验过程中耗时费力，大量时间精力用于简单而繁琐的仪表操作训练。

发明内容

本发明提供了一种大空间外管空气自然对流传热实验装置，可以灵活的研究外管空气自然对流传热规律。

本发明提供的外管空气自然对流传热实验装置包括三部分，一部分为外管悬挂架，一部分为控制采集分析仪，一部分为计算机。外管悬挂架呈长方体框架结构，它包括：两根悬挂横杆、其中一根横杆与两根可上下移动的活动立杆连接，另一根横杆与两根固定立杆连接，活动立杆插在立管中，插入端装紧固圈，固定立杆与立管用六根连接杆固定，构成框架，底部安装地角轮。加热外管用两根吊挂丝挂在两根悬挂横杆上，吊挂丝与加热外管连接处装绝缘隔热件。活动立杆上升高度为H，连接杆长度为L，加热外管悬挂角度α＝arctg(H/L)。加热外管的内部装电阻丝，电阻丝穿在绝缘管内，绝缘管通过支撑件固定在加热外管内，加热外管两端有端盖，端盖上有固定电阻丝的接头，接头接电源导线。采用可控硅控制加热电源。加热外管表面焊接热电偶。热电偶接控制采集分析仪。

加热外管采用园管或螺旋管或翅片管，其外管当量直径d为20～40mm，管外径d与管长x之比为1∶30～35。悬挂架吊挂一组几何相似的加热管1～10根，每根外管表面均布2～3付测温热电偶。吊挂丝的长度为加热管外径d的15～20倍。加热管之间呈叉排形式吊挂，吊挂间距为管外径d的15～20倍。每根管的倾斜角α为0°～45°。

控制采集分析仪由MCS51系列单片机为核心的智能控制器构成。包括8路模拟量输入接口，其中6路热电偶、1路热电阻和1路0～5V直流电压输入端；8路A/D转换器；6路开关量输出端；一个EEPROM存储器；1个RS485接口以及电源和看门狗；还有装载在MCS51单片机上的加热控制程序和数据采集程序。

安装在管壁上的热电偶，两个或三个一组并联，采用并联电阻进行信号平均处理，成为信号T，通过放大器进入A/D转换器，测量室温热电阻Pt100通过放大器进入到A/D转换器，0～5V直流电压直接进入A/D转换器。

MCS51系列单片机具有四个8位通用接口，这四个接口分别是P₀～P₃，8路A/D转换器输出端接到P₀和P₂上，6路开关量输出接到P₃接口的P_3.2～P_3.7上，RS485接口接到P_3.0和P_3.1上，其余的器件包括EEPROM存储器接在P₁接口上，6路开关量输出端通过光电耦合器分别连接到6个可控硅SCR1～SCR6上，采用调整导通占空比的控制信号，输出6路恒定功率W1～W6到加热外管。

计算机部分采用内存128兆、速度400MHz以上配置，与RS485接口相接，数据处理程序装载在计算机内。

计算机在这些专用软件的支持下，与控制采集分析仪实时通讯，实现对诸根管按照各自给定的加热功率加热、以及壁温和大空间空气温度的采集，全部数据的处理分析，确定出对流换热系数、准则关联式和拟合曲线。

本发明与现有实验装置相比其有益的显著效果在如下方面：

1、外管悬挂架结构简单，操作灵活方便，吊挂的外管群组可以由若干根几何相似的加热管组成，这些加热管断面、表面粗糙程度都可以改变，又可以方便地改变吊挂角度，倾斜角α＝0°～45°；

2、测控分析设备包括计算机在内只有2台，与传统的同类型实验装置相比，体积减小、数量减少，而且保证测量精度；

3、实验范围扩大，当加入外部流动气体，可以进行温度场和速度场协同性测试分析的设计性试验研究。

4、模块化硬件和通讯软件的控制采集分析仪，改变了传统的由诸多电子仪表组合测量自然对流传热过程的大量参数的模式。通过数据处理专用软件，可以实时处理测量数据，得到不同流态各种换热时刻水平管或倾斜管空气自然对流传热规律；得到自然对流传热非平衡状态和最终平衡状态下的准则关联式，以及拟合曲线。实验结果可以实时显示、存储、打印，是一套模块化、智能化、方便而实用的测试分析装置。

附图说明

图1是空气自然对流传热实验装置外管悬挂架示意图；图2是空气自然对流传热实验装置外管倾斜状态示意图；图3是空气自然对流传热实验装置外管内部结构示意图；图4是空气自然对流传热实验装置外管加热测控系统示意图；图5是空气自然对流传热实验装置中控制采集分析仪内部结构示意图；图6是加热控制程序框图；图7是数据采集程序框图；图8是数据处理程序框图。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，外管空气自然对流传热实验装置中的外管悬挂架呈长方体框架结构，它包括：两根悬挂横杆1、其中一根横杆与两根可上下移动的活动立杆2连接，另一根横杆与两根固定立杆2′连接，活动立杆插在立管4中，插入端装紧固圈3，固定立杆与立管用长短六根连接杆5固定，构成框架，底部安装地角轮10。

加热外管8用两根吊挂丝6挂在两根悬挂横杆1上，吊挂丝与加热外管连接处装绝缘隔热件11。活动立杆上升高度为H，短连接杆5长度为L，加热外管悬挂角度α＝arctg(H/L)。加热外管的内部装电阻丝16，电阻丝穿在绝缘管15内，绝缘管通过支撑件14固定在加热外管内，加热外管两端有端盖13，端盖上有固定电阻丝的接头12，接头接电源导线9。采用可控硅控制加热电源。加热外管表面焊接热电偶7。热电偶接控制采集分析仪17。

加热外管采用圆管，其外管当量直径d为20～40mm，管外径d与管长x之比为1∶30。悬挂架吊挂加热管6根，每根外管表面均布2付测温热电偶。管外直径在19～25mm，吊挂丝长度为400～500mm。加热管之间呈叉排形式吊挂，吊挂间距为管外径d的15～20倍。每根管的倾斜角α为0°。

如图4所示，外管加热测控系统包括热电偶7、外管8、电源导线9、控制采集分析仪17、计算机18、室温信号和电源输入信号19。

如图5所示，控制采集分析仪由MCS51系列单片机为核心的智能控制器构成。包括8路模拟量输入接口，其中6路热电偶、1路热电阻和1路0～5V直流电压输入端；8路A/D转换器；6路开关量输出端；一个256字节的EEPROM存储器；1个RS485接口以及电源和看门狗，还有装载在MCS51单片机上的加热控制程序和数据采集程序。

安装在管壁上的热电偶，两个一组并联，采用并联电阻进行信号平均处理，成为信号T1～T6，通过放大器进入A/D转换器，测量室温热电阻Pt100通过放大器进入到A/D转换器，0～5V直流电压直接进入A/D转换器。

MCS51系列单片机具有四个8位通用接口，这四个接口分别是P₀～P₃，8路A/D转换器输出端接到P₀、P₂上，6路开关量输出接到P₃接口的P_3.2～P_3.7上，RS485接口接到P_3.0和P_3.1上，其余的器件包括EEPROM存储器接在P₁接口上，6路开关量输出端通过光电耦合器分别连接到6个可控硅SCR1～SCR6上，采用调整导通占空比的控制信号的方式，输出6路恒定功率W1～W6到加热外管。

计算机18采用内存128兆、速度400MHz配置，与RS485接口相接，数据处理程序装载在计算机内。

主体外管群组实验功能

1、水平管空气自然对流传热实验

将活动立杆2设置为H＝0，使外管群在大空间中成水平放置，分别给定合适的加热功率值，便可进行某流态下的自然对流传热实验。

2、倾斜管空气自然对流传热实验

将活动立杆2拉伸到H高度，使外管群均成α角倾斜在大空间中，分别给定合适的加热功率值，便可以对倾斜管进行自然对流实验研究。

3、速度场和温度场协同性的试验研究

根据速度场和温度场协同原理，当速度矢量和温度梯度的夹角(场协同角)β＝0°或β＝180°时，场协同性最好，流动对传热的贡献最大；当β＝90°时，场协同性最差，流动对传热无贡献。在管群组呈水平和不同角度倾斜放置时，接受一均匀来流作用，可以对比出不同的场协同效果，从而探索出强化对流传热的有效途径和最佳设计方案。

加热控制原理说明

由 $>>>P>i>>=>>k>i>>>P>>0>i>>>>>(>>U>>U>0>>>)>>2>>,>$>来控制占空比k_i，以得到所确定的供电功率。

式中i-管号，i＝1，2，3，…6

P_i-i管实际供热功率；

U-电源电压；

U₀-指220V；

k_i-i管占空比，k_i≤1；

P_0i-i管基本功率(在电源电压等于220V、占空比k_i＝1时的功率)。

因此 $>>>k>i>>=>>>(>>P>>P>0>>>)>>i>>>>(>>>U>0>>U>>)>>2>>.>$>

实验实例

一水平吊挂(α＝0°)在密闭大空间的断面形状为园形、光滑的外管群组共6根，管外径d与管长x之比为1∶30，管外直径在19～25mm，吊挂丝长度为400～500mm，管内置加热电阻丝。当给定各管的加热功率后，管壁温度升高，出现大空间外管空气自然对流传热现象。如果各管的(Gr·Pr)值都处于同一流态范围时，根据相似原理，则它们可以整理成一准则关联式。

即Nu＝C(Gr·Pr)ⁿ，将这一指数关系化为对数关系得到直线方程式

1gNu＝1gC+n1g(Gr·Pr)

由此，当设置每根圆管的自然对流换热在同一流态下，可以得到不同的(Gr·Pr)和Nu准则，将这些准则取对数后作为6个对数坐标点，其分布规律必然在同一条直线上，它们拥有相同的直线截距1gC和斜率n。

如本实验装置的6根水平管在过渡流态下空气自然对流的实验结果为

Nu＝0.556(Gr·Pr)^0.245

公认的文献上已经给出，当(Gr·Pr)＝5×10²～2×10⁷属于过渡流范围，其准则关联式为

Nu^*＝0.54(Gr·Pr)^0.25

从这个例子可以得出，用本实验装置开设的水平圆管空气自然对流实验，在过渡流态下的实验结果与文献给出的、公认的理论结果相比较，就两条直线的截距来说，相对误差为4.7％，其斜率的相对误差为2.04％。误差均在5％以下，效果很好。