重力热管式竖管外空气自然对流传热实验装置

技术领域

本发明涉及实验装置，尤其涉及一种重力热管式竖管外空气自然对流传热实验装置。

背景技术

自然对流是由于流体内部存在温度差导致质量力分布不均匀而引起的。不均匀温度场造成了不均匀密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。 

自然对流传热现象是自然界中常见的现象。大至气象学的规模，当地球表面接受太阳照射后，大气就会产生自然对流运动，形成附着于地表与地面平行的气流或从地表分离上升的其他不稳定的气体流动，进而形成影响我们日常生活的各种气候现象；小至日常消费品，例如夏天饮用的冰镇饮料置于环境中时，因其温度低于环境温度，饮料罐壁与周围空气不断换热而导致自身温度不断升高，也会引发周围空气的自然对流现象，并借助这种自然对流换热方式进一步强化与环境的热量交换。又如，暖气管道的散热，墙壁的散热等。自然对流现象广泛存在于工业生产和日常生活中各个领域。 由于它与生产和生活有着密切联系，人们对它早已产生了浓厚兴趣，并在不断地进行研究。 

研究圆管在空气中自然对流散热的规律，在科学界与工程界均具有十分重要的意义。对于几种典型的表面形状的大空间自然对流换热，传热学领域的一些学者已经成功地整理成实验关联式。应用相似原理进行实验研究是高等工科院校实验教学环节不可缺少的重要内容。对于圆管外的空气自然对流和强迫对流传热实验装置，许多大学均采用自制设备来完成。如浙江大学、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学等。传统的实验，采用在圆管内直接布置电阻丝进行加热模拟圆管发热情况，由于布置电阻丝的不均匀性，导致圆管表面温度不均匀性很大。并且，采用电流表测量加热电流，采用电压表测量加热电压，采用电子电位差计配合热电偶测量管壁表面温度，均通过繁琐的测量形式及多种电子仪表组合来实现。这样的实验装置不能实现测量手段的模块化、智能化及设备的一体化，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。实验精度较差。对于自然对流，也有采用MCS51系列单片机实现数据的采集及控制的实验装置。但是MCS51系列单片机需要另外设计硬件电路，并且编制相应软件。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种重力热管式竖管外空气自然对流传热实验装置。

重力热管式竖管外空气自然对流传热实验装置包括硅整流直流电源、热管式实验装置、数据采集仪、计算机、标准电阻，热管式实验装置包括重力热管、热电偶、电阻丝、绝缘管和杜瓦瓶，热管式实验装置为多个，重力热管冷凝段外壁设有多个热电偶，重力热管蒸发段外侧依次设有电阻丝、绝缘管、杜瓦瓶，硅整流直流电源经标准电阻与重力热管实验装置的电阻丝相连接，数据采集仪分别与硅整流直流电源、计算机和热管式实验装置的热电偶相连接。

所述的重力热管的直径D为20～200mm，重力热管的有效管长L为500～2000mm。所述的热管式实验装置为6～10个。所述的热管式实验装置并列放置的间距T为1～3米。所述的数据采集仪由Agilent 34970A主机和2～3块34901A插卡模块组成。

    本发明与现有技术相比具有的有益效果：

（1）采用重力热管模拟实际圆管，由于重力热管内部采用气液两相流体相变换热，具有良好的等温性，热管表面的各点温度均匀性和一致性极其良好，大大提高了实验的精度；而传统实验装置在圆管内布置电加热丝由于布置的不均匀性会引起管壁温度的不均匀，实验精度较差；

（2）数据测量采用了数据采集仪和计算机自动记录，与传统的同类型实验装置相比，仪表的体积减少，数量减少，而且实验测量精度得到提高；相比于采用MCS51系列单片机采集数据的实验装置，也简化了硬件配置；

（3）数据采集仪和计算机的引入，改变了传统由多个仪表组合测量自然对流传热过程需测量大量参数的模式。通过数据处理专用软件，可以实时在计算机屏幕上显示测量数据，并进行自动分析计算，得到圆管外空气自然对流的实验准则关联式，绘出实验拟合曲线。实验结果可以实时显示、存储、打印，是一套模块化、智能化、方便而实用的空气自然对流传热实验装置。

附图说明

图1是空气自然对流传热实验系统示意图，

图2是空气自然对流传热实验用热管式实验装置示意图；

图中，硅整流直流电源1、热管式实验装置2、数据采集仪3、计算机4、标准电阻5、重力热管6、热电偶7、电阻丝8、绝缘管9、杜瓦瓶10。

具体实施方式

如图1、2所示，重力热管式竖管外空气自然对流传热实验装置包括硅整流直流电源1、热管式实验装置2、数据采集仪3、计算机4、标准电阻5，热管式实验装置2包括重力热管6、热电偶7、电阻丝8、绝缘管9和杜瓦瓶10，热管式实验装置2为多个，重力热管6冷凝段外壁设有多个热电偶7，重力热管6蒸发段外侧依次设有电阻丝8、绝缘管9、杜瓦瓶10，硅整流直流电源1经标准电阻5与重力热管实验装置2的电阻丝8相连接，数据采集仪3分别与硅整流直流电源1、计算机4和热管式实验装置2的热电偶7相连接。

所述的重力热管6的直径D为20～200mm，重力热管6的有效管长L为500～2000mm。所述的热管式实验装置2为6～10个。所述的热管式实验装置2并列放置的间距T为1～3米。所述的数据采集仪3由Agilent 34970A主机和2～3块34901A插卡模块组成。

实施例

重力热管下端蒸发段外部采用外绕电阻丝加热，电阻丝由硅整流直流电源供电，加热电流通过串接标准电阻后转换为电压信号接入数据采集仪34970A，加热电压直接接入数据采集仪34970A，电阻丝外套绝缘管，绝缘管外采用杜瓦瓶保温。重力热管上端蒸发段外表面均匀焊接3~5对热电偶，热电偶接入数据采集仪。数据采集仪由Agilent 34970A作为核心，加2~3块34901A插卡模块组成。它共包括40~60路模拟量输入接口，其中6~10路测量6~10根热管的加热直流电压输入，6~10路用来测量6~10根热管的加热直流电流，4~6路用来测量周围环境空气温度。另外的用来测量6~10根热管上的管壁温度。数据采集仪通过RS-232C接口与计算机联接通讯。计算机采用内存256M，速度1.8GHz以上配置，采用WINDOWS XP操作系统，与数据采集仪通过RS-232C串口通讯，专门开发的管外自然对流传热实验数据处理及计算软件装载在计算机内。

实验前，开启硅整流电源，根据实验需要调节各热管的加热电压和加热电流，当经过足够长的时间后，热管管壁温度稳定在一个数值，热管管外为大空间空气自然对流状态。根据实验得到的加热电压、加热电流，热管表面温度、环境空气温度及热管几何尺寸，应用传热学基本原理可以计算得到热管表面自然对流传热系数。根据相似原理，管外的努塞尔数Nu、格拉晓夫数Gr、普朗特数Pr，可以整理成如下形式的准则关联式                                               。将这一指数关系两边取对数，可以得到直线方程式，根据6~10组热管式实验装置的实验数据，分别计算努塞尔数Nu、格拉晓夫数Gr、普朗特数Pr，用最小二乘法对数据进行直线拟合，求取系数C、n。

    实验时，计算机在软件的支持下，与数据采集仪34970A进行实时通讯，实现对各根重力热管的加热电压、加热电流，以及壁温和室内环境空气温度的采集以及全部数据的处理分析，计算出自然对流换热传热系数，拟合出实验准则关联式，绘出拟合曲线。

本实验装置的6根竖直热管在层流状态下（）空气自然对流的实验结果为与传热学教科书上的相比，C的相对误差2.88%，你的相对误差为2.4%，误差均在5%以下，效果很好。