自然对流换热实验设备优化改造及教学改革

2019-01-09刘雅琳严双志

实验技术与管理 2018年12期

胡静, 刘雅琳, 严双志

(西安建筑科技大学环境与市政工程学院国家级环境类专业实验教学示范中心, 陕西西安 710055)

大空间内水平圆管外表面的自然对流换热是日常生活与工业生产中普遍存在的现象, 国内外学者[1-2]针对这一问题进行了大量的实验研究和数值模拟研究。水平圆管外自然对流换热实验,是传热学大纲要求的实验项目,也是我校特色专业建筑环境与能源应用工程的必做专业基础实验,该项实验对于培养学生的实践应用能力至关重要。然而,现有的实验设备使用年限太久,仪器设备老化,使用功能不全,测量误差大,实验进程长,控制系统易受干扰,实验工况不稳定,实验教学效果不佳,已经难以适用当前实验教学的改革和发展[3]。考虑到目前学校实验经费紧张的状况,更换全新前沿的实验设备成本过高[4],本文在总结了原实验设备的优缺点后,结合理论与实验教学的要求,对原实验设备进行了优化改造,并改革了实验教学方式。

1 实验原理

根据相似理论,空气沿水平管外表面自然对流时,一般可以得到以下指数形式的准则关系式：

Nu=c(Gr,Pr)n

(1)

(2)

(3)

式中：Nu为努塞尔数；Gr为格拉晓夫数；Pr为普朗特准则数,是温度的函数；c和n均为常数；λ为空气导热系数；h为传热系数；ν为运动黏度；为空气的容积膨胀系数,取理想气体的膨胀系数,=1/(Tm+273)；g是重力加速度；D是管子外径；Δt是远离管壁的空气温度差,Δt=tw-tf,tf为空气温度,tw为管外壁温。

本项实验的目的就是通过实验测试确定常数c和n。在准则式中, 空气的导热系数, 运动黏度ν,以及普朗特准则数Pr可以根据实验管壁面温度tw和环境空气温度tf的平均值tm查阅手册内插得到。

本实验的关键是对流换热表面传热系数h的确定。对流换热表面传热系数h的定义：h=Qa/(FΔt),Qa为水平管外表面与周围空气之间的对流换热量,F水平管的外表面积，F=DL,L为水平管的有效长度。在气体中的对流换热,不可避免地会伴随有换热壁面与周围环境的辐射换热,因此,管的实际传出热量Q为对流换热和辐射换热量之和:

Q=Qa+Qr=hF(tw-tf)+

(4)

式中,Qr为辐射热量，为实验管外表面的黑度,C0为黑体辐射系数，C0=5.67 W/m2·K4。这里假定了环境温度即空气温度。水平管外表面对流换热表面传热系数就可以由下式确定：

h=[Q/F-

(5)

要确定式(1)中的c和n,还需要测量的Nu-GrPr数据足够多,GrPr变化范围足够大。这就要求测量出不同范围内足够度的数据,进而才能更好地利用相似原理[5]处理数据,得到准则关联式。

2 设备优化改造

2.1 设备改造背景

现有的水平圆管外自然对流换热实验设备,该设备是由单一的电路控制箱进行统一调节,每次实验只能对一个水平管进行电压控制,无法实现多个水平圆管的同时测试。另外，由于实验学时有限,学生无法在有限的时间内测得足够多的实验数据，而拟合准则关联式时需要多个相似现象下的实验参数,数据要足够多,拟合才越准确；而且，当被加热的水平管的热量到达控制箱设定的温度时,加热一般会停止,实验工况无法达到恒定,水平管温度也不稳定,不利于实验稳定工况下的数据采集。

此外,现有设备直接显示读数,学生在实验过程中只是机械地进行观察记录,无法对实验原理得到深刻的理解和掌握。实验也多为验证性实验,不利于学生综合实践能力和创新能力的培养[6]。

2.2 设备改造的目标

基于上述原有实验中的不足和缺陷,对原有的实验设备进行了优化改造,保留原设备中不影响实验效果的部分,按照科学合理、安全实用、经济节约、综合性强、手动操作与自动控制并存的设计思想和原则[3]对原有设备进行优化改造，使实验条件提升、实验工况稳定,并将原来的验证性实验改革为设计性实验,激发学生参与实验的积极性,并建立有效的激励机制,调动学生的自主性和积极性[7]。

2.3 优化改造后设备简介

优化改造后的设备主要由以下部分组成：

(1) 实验本体系统。本体为水平圆管一套,放置在封闭的大空间玻璃房内,水平圆管对应管径分别为80、60、40、20 mm,实验管段构造如图1所示；实验管内装有电加热器,两端有绝热盖,计算中可略去轴向热损失。实验管上有热电偶嵌入管壁,使用电位差计测量管壁热电势,从而计算管壁外表面温度。

图1 实验管段构造示意图

(2) 独立的电加热测量系统。为获得稳定的加热功率,各实验管采用直流稳压电源加热,一套设备中4种不同直径的实验管段各自分别连接相互独立的电加热测量系统。为了保持加热稳定,每个独立的电加热系统各自配备调压器稳定输入电压,并各自配备独立的功率表。实验时,一套设备可在4个不同的加热功率下同时开展,并且互不干扰,工况稳定,保证了后续测量的准确性。独立控制参数,避免了仪器误差,实现了精准控制[8]。

(3) 温度测量及其数显系统。温度的测量包括实验管周围空气温度和实验管壁面温度。空气温度测点位于离实验管1 m左右下方,使用半导体温度计测量,温度直接显示在测量室的仪表上。

实验圆管上共设置多个温度传感器焊点,考虑到电加热管可能存在加热不均匀或偏心等情况, 焊点分别在轴向等距分布, 同时在圆周方向等角度分布,实验管壁面温度取自壁面不同部位温度的平均值,每个实验管根据长短不同,布置有不同数目的铜-康铜测温热电偶。测量表面温度的感温元件的引线均接入控制箱,通过数字式显示仪表直接显示出温度值。

优化改造后的实验设备系统示意图见图2。

图2 优化改造后实验设备系统示意图

3 改革现有实验教学方式

教学方式从传统的验证性实验改革为设计性实验，学生根据实验原理以及改造后的实验条件,独立设计自己的实验方案以及实验操作步骤；进入实验室后,在实验教师的讲解和指导下,熟悉实验中所用的设备,然后按照自己设计好的方案,进行独立实验。

优化改造后的实验设备,每套可以同时实现4个不同的加热功率下的实验工况,每个加热功率下持续加热6 h(实验开始前有实验教师提前加热)。因此,在每一次实验测试工况下,学生可以分成小组，在多套设备下同时独立进行实验测试,手动测量与数显测量两种方式并存[9]。实验现象相似,各组学生通过设定不同的加热量即可得到多个稳定的实验工况,可以采集到更多的实验数据,利于实验数据的处理以及实验结果的获得。优化改造后,学生在2学时内就可以完成实验要求的所有内容,相比传统的教学方式,既按规定完成了实验测试,又提高了实验教学的效果。