一种高效高精度自然对流放热系数测定实验装置

摘要

本发明提出了一种高效高精度自然对流放热系数测定实验装置，该装置包括单元管管壁、主加热棒、辅加热棒、绝缘薄片、隔热夹套、绝热端盖、薄膜热电偶、接线端套、A/D转换器、计算机、控制箱、支架。该装置主‑辅加热棒间插入绝缘薄片形成紧密连接，主‑辅加热棒分别对应的有效实验段和辅助实验段管腔用环形隔热夹套隔开，通过调节辅加热棒电流及电压控制主、辅加热棒相邻接线端套温度相同，以减少主加热棒轴向热损失；各单元管端口套有内表面镀银的绝热端盖，绝热端盖‑单元管间隙填充耐高温绝热泡沫垫，以减少辅助段端口散热损失；单元管外表面镀银，内表面镀高辐射率材料，以缩短实验时间。本发明高效高精度地解决了自然对流放热系数测定问题。

说明书

技术领域

本发明涉及自然对流换热系数测定领域，特别是一种高效高精度自然对流放热系数测定实验装置。

背景技术

对流换热系数是衡量对流换热强弱的重要参数，也是进行相关对流换热计算时必须事先要得到的重要传热参数。工程上一般通过实验方法和计算方法获得，用计算法获得时，一般还需要用实验方法验证其可靠性。目前，高校传热学实验所使用的自由对流横管管外放热系数测试实验装置，是基于额定功率发热管的发热量与其对环境的自由对流换热量及热辐射量之和相等的原理来测定对流换热系数。该实验装置普遍存在以下两个方面的问题：加热管两端的绝热问题未能有效解决，测试管段加热棒的发热量与管段的对流换热量及热辐射放热量之和不等，且往往有较大差值；加热管管壁厚，蓄热量大，并且因管外壁辐射率大，导致蓄热速度慢，每当加热管功率变化时，重新达到新的稳定状态时间太长，极大的延长了实验时间，降低了工作效率。鉴于以上存在的问题，现有的自然对流换热系数测定实验装置测试误差大(误差高达百分之一百以上)，实验时间太长，不能较好的满足教学实验要求的需要。造成现有自然对流换热系数测定装置测量误差大和实验时间过长的主要原因如下：一方面，由于实验管端口绝热效果不理想，加热器加热量并未完全转化为实验管管壁以对流和辐射两种方式向环境的放热量，从而导致了该实验装置测量误差较大；另一方面，由于现有的实验装置所使用的实验管管壁较厚，管外壁辐射率较高，使得实验管要以较小的蓄热速度积蓄较多的热量才能达到平衡状态，进而导致整个实验所需时间较长。

发明内容

针对现有装置存在的实验结果误差大、实验时间过长、实验效率过低的问题，本发明旨在提供一种高效高精度自然对流放热系数测定实验装置，该装置能有效解决现有自由对流横管管外放热系数测定装置测量误差大、实验时间长、实验效率低等缺点。

本发明为了解决上述技术问题，提供了如下技术方案：

本发明提出了一种高效高精度自然对流放热系数测定实验装置，所述装置包括单元管管壁、主加热棒、辅加热棒、绝缘薄片、隔热夹套、绝热端盖、导线、薄膜热电偶、接线端套、A/D转换器、计算机、控制箱、支架。所述实验装置由多根不同直径的实验管组成，每根实验管由多个结构完全相同的单元管组成，每个单元管内装有一个主加热棒和两个辅加热棒，主加热棒对应的实验管管段为本装置的有效实验段，辅加热棒对应的实验管管段为本装置的辅助实验段，每个单元管端口套有绝热端盖，单元管之间通过绝热端盖形成紧密连接，实验管通过绝热端盖放置在支架上，每个单元管管壁上布置有多个薄膜热电偶。

所述装置主加热棒、辅加热棒通过接线端套上的小柱插入两者间的耐高温绝缘薄片半深盲孔中形成紧密连接，绝缘薄片将主加热棒和辅加热棒分隔开，可避免短路问题，同时，还可固定加热棒；主加热棒和辅加热棒连接处的每个接线端套上分别嵌有1个薄膜热电偶，通过调节辅加热棒电流及电压控制主、辅加热棒相邻接线端套温度相同，可有效防止热量沿实验管端口轴向散失，从而达到减少实验误差的目的；主-辅加热棒分别对应的有效实验段和辅助实验段管腔用环形隔热夹套隔开，所述的环形隔热夹套由两片内外表面镀银的环形薄片构成，隔热夹套的内径略大于加热棒端口的接线端套直径，外径略小于单元管内径，与接线端套和单元管内壁紧密接触，设置的隔热夹套可隔断有效实验管段与辅助实验管段的热量传递，同时，隔热夹套与接线端套相连还起固定加热棒的作用。

所述装置实验管采用薄壁铜管，且管壁外表面镀低辐射率的银, 内表面镀高辐射率材料，在增加了加热棒与实验管的传热速度的同时，减少了实验管对环境的热辐射，缩短了实验管达到热平衡的时间，亦即缩短了实验时间。

所述装置每个单元管端口套有绝热端盖，绝热端盖是由两层薄片金属组成的封闭式柱形中空结构，其中空内表面镀银，与实验管间隙填充耐高温绝热泡沫垫。单元管端口套有绝热端盖后，可有效减少辅助实验段端口向外界散失热量，进而一定程度减少了有效实验段的热损失，提高了自然对流放热系数的测量精度。

所述装置主加热棒和辅加热棒端口用镀银金属接线端套包裹，并通过接线端套与导线连接。接线端套一侧分布有若干个小柱，绝缘薄片上分布有数量、位置和直径与接线端套上小柱相同的半深盲孔；辅助加热端的隔热夹套上开有小孔，导线穿过小孔通往管外。

所述装置控制箱与计算机相连，通过控制箱内的电流调节装置实现加热棒电流的调节，控制箱内装有稳压器，起稳定输出电压和加热功率的作用。从薄膜热电偶采集的温度信号，通过A/D转换后输入计算机中进行贮存、数据处理和结果输出，计算机根据温度信号和控制程序，通过控制箱实现对主加热棒、辅加热棒的电流、电压控制，使达到预定的实验管壁面温度并满足相邻主加热棒和辅加热棒接线端套温度相同。实验结果由处于热平衡状态后采集的数据计算获得。

所述实验装置有多根不同直径的实验管可选，每根实验管可由多个结构完全相同的单元管组成。

可选的，所述装置主加热棒和辅加热棒材质为硅碳棒，主加热棒、辅加热棒连接处的环形隔热夹套材质为铜，金属接线端套材质为铝。

采用以上所述装置，可有效解决现有自然对流换热系数测定装置测量误差大、实验时间长、实验效率低等缺点。

本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

1. 本发明通过在主加热棒两端设置等温的辅加热棒及在有效实验段与辅助实验段连接处管腔位置设置隔热夹套，显著地减少了有效实验段轴向热损失，保证了主加热棒的发热量与有效实验段对环境的对流散热量和辐射散热量之和相等；

2. 本发明所述实验管采用薄壁铜管，铜管内表面镀高辐射率材料，外表面镀银，大幅减少了蓄热量，还因加热棒与管壁间传热速度大幅增加及对环境热辐射损失显著减少，极大的提高了蓄热速度，从而缩短了实验装置达到热稳定的时间，提高了实验效率；

3. 所述装置每个单元管端口套有绝热端盖，可有效减少辅助段端口向外界散失热量，有助于主加热段轴向绝热程度进一步提高，提高了自然对流换热系数的测量精度；

4. 本发明所述装置由多个结构完全独立的单元管组成，可同时完成多组同功率条件的重复性实验或不同功率条件的实验，实验效率大大提高。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明一个单元管结构示意图。

图3为本发明有效实验段和辅助实验段连接局部放大图。

图4为本发明绝热端盖局部放大图。

图5为本发明信号采集处理及控制系统示意图。

图中：1-单元管管壁、2-主加热棒、3-辅加热棒、4-绝缘薄片、5-隔热夹套、6-绝热端盖、7-耐高温绝热泡沫垫、8-导线、9-薄膜热电偶、10-接线端套、11-A/D转换器、12-计算机、13-控制箱、14-支架。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。下面通过结合附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

所述装置是基于额定功率发热管的发热量与其对环境的自由对流换热量及热辐射量之和相等的原理来测定自然对流放热系数。对实验管进行加热，实验管放热量是以对流和辐射两种方式向环境散热，当实验管处于热稳定状态时，主加热棒放热量等于有效实验段管壁对环境的对流换热量与辐射换热量之和。即：

（1）

其中

（2）

（3）

由公式(1)、(2)、(3)得对流换热系数计算公式：

>

式中：Q-总换热量[W]；

Q_c-对流换热量[W]；

Q_r-辐射换热量[W]；

I-总换热量[A]；

V-总换热量[V]；

α-对流换热系数[W/(m²·K)]；

F-圆管表面积[m²];

t_w-对流换热量[℃]；

t_f-对流换热量[℃];

ε-圆管表面黑度；

σ-黑体辐射常数，其值为5.67×10^-8W/(m²·K⁴)；

T_w-对流换热量[K]；

T_f-对流换热量[K]。

图1为本发明整体结构示意图，图2为本发明一个单元管结构示意图；结合图1、图2，一种高效高精度自然对流放热系数测定实验装置，包括单元管管壁(1)、主加热棒(2)、辅加热棒(3)、绝缘薄片(4)、隔热夹套(5)、绝热端盖(6)、耐高温绝热泡沫垫(7)、导线(8)、薄膜热电偶(9)、接线端套(10)、A/D转换器(11)计算机(12)、控制箱(13)、支架(14)。所述实验装置由多根不同直径的实验管组成，每根实验管由多个结构完全相同的单元管组成，每个单元管内装有一个主加热棒(2)和两个辅加热棒(3)，主加热棒(2)对应的实验管管段为本装置的有效实验段，辅加热棒(3)对应的实验管管段为本装置的辅助实验段，每个单元管端口套有绝热端盖(6)，单元管之间通过绝热端盖(6)形成紧密连接，实验管通过绝热端盖(6)放置在支架(14)上，每个单元管管壁(1)上布置有多个薄膜热电偶(9)。

图3为本发明有效实验段和辅助实验段的连接局部放大图，结合图3，主加热棒(2)、辅加热棒(3)通过将连接处接线端套(10)上的小柱插入两者间的耐高温绝缘薄片(4)半深盲孔中形成紧密连接，利用绝缘薄片(4)将主加热棒(2)和辅加热棒(3)分隔开，可避免短路问题，同时，还可固定加热棒；主加热棒(2)和辅加热棒(3)连接处的每个接线端套(10)上分别嵌有1个薄膜热电偶(9)，通过调节辅加热棒(3)电流及电压控制主加热棒(2)和辅加热棒(3)相邻接线端套(10)温度相同，可有效防止热量沿实验管端口轴向散失，从而达到减少实验误差的目的；有效实验段和辅助实验段管腔用环形隔热夹套(5)隔开，所述的环形隔热夹套(5)由两片内外表面镀银的环形薄片构成，隔热夹套(5)的内径略大于加热棒端口的接线端套(10)直径，外径略小于单元管内径，与接线端套(10)和单元管内壁紧密接触，利用隔热夹套(5)可隔断有效实验管段与辅助实验管段的热量传递，同时，隔热夹套还可以固定加热棒；

图4为本发明绝热端盖局部放大图，结合图4，每个单元管端口套有绝热端盖(6)，绝热端盖(6)是由两层薄片金属组成的封闭式柱形中空结构，其中空内表面镀银，与实验管间隙填充耐高温绝热泡沫垫 (7)。单元管端口套有绝热端盖后，可有效减少辅助段端口向外界散失热量，进而一定程度减少了有效管段的热损失，提高了自然对流放热系数的测量精度。

图5为本发明信号采集处理及控制系统示意图，控制箱与计算机相连，通过控制箱内的电流调节装置实现加热棒电流的调节，控制箱内装有稳压器，起稳定输出电压和加热功率的作用。从薄膜热电偶(9)采集的温度信号，通过A/D转换器(11)转换后输入计算机中进行贮存、数据处理和结果输出，计算机(12)根据温度信号和控制程序，通过控制箱(13)实现对主加热棒、辅加热棒的电流、电压控制，使达到预定的实验管壁面温度并满足相邻主加热棒和辅加热棒接线端套温度相同。实验结果由处于热平衡状态后采集的数据计算获得。

所述装置实验管采用薄壁铜管，且管壁外表面镀低辐射率的银, 内表面镀高辐射率材料，在增加了加热棒与实验管的传热速度的同时，减少了实验管对环境的热辐射，缩短了实验管达到热平衡的时间，亦即缩短了实验时间。

所述装置主加热棒(2)和辅加热棒(3)端口用镀银金属接线端套(10)包裹，并通过接线端套(10)与导线(8)连接。辅助加热端的隔热夹套(5)上开有小孔，导线(8)穿过小孔通往管外。

本发明的具体实施过程如下：

1.接通电源，打开开关，对实验管按设定的实验管壁温度加热，所述施加于主加热棒(2)、辅加热棒(3)的电流与电压由计算机(12)根据采集的温度信号和设定的程序通过控制箱(13)调整；

2.分别采集主加热棒(2)、辅加热棒(3)的连接端端面上的薄膜热电偶(9)的温度信号，所采集的温度信号经A/D转换器(11)转换后输入计算机(12)中进行贮存、数据处理，计算机(12)处理后输出结果，并对加热的功率进行调控，确保实验管处于热稳定状态时，主加热棒(2)端面上的薄膜热电偶(9)和辅加热棒(3)端面上的薄膜热电偶(9)的温度相等或其差值小于设定的控制允许值；

3.待实验管接近热稳定状态后，开始采集每个单元管管壁上的薄膜热电偶(9)的温度信号，每间隔10分钟采集一次温度信号，直到前后两次所采集的温度值之差小于设定值；取最后两组采集的壁面温度数据的平均值，作为实验管管壁的计算温度，读取最后两次温度对应的主加热棒的电流、电压，取其平均值作为电流和电压的计算值；

4.多次改变壁面温度设定值，重复以上步骤，可获得实验管不同壁温下的实验数据。