[发明专利]一种空气横掠单管强制对流换热教学实验装置及使用方法

说明书

一种空气横掠单管强制对流换热教学实验装置及使用方法，包括实验风洞、实验圆管加热功率测量电路以及实验圆管温度控制和测量部分；其中，实验风洞包括实验段、风洞收缩段、风洞稳定段和风洞扩散段，实验段一端与风洞收缩段相连通，风洞收缩段与风洞稳定段相连通，实验段另一端与风洞扩散段相连通；实验圆管两端分别插入两块散热铝块中，两块散热铝块外侧各安装有片半导体片，半导体片外侧安装有散热风扇。本发明通过对实验圆管两端温度进行保护，可将实验结果的测量偏差控制在10％以内，测量波动度控制在5％以内，该测量精度不仅完全满足实验教学，甚至能够达到科研实验的要求。

技术领域

本发明属于高校能源动力类专业的实验教学技术领域，特别涉及一种空气横掠单管强制对流换热教学实验装置及使用方法。

背景技术

空气横掠单管强制对流换热是国内高校《传热学》课程广泛开设的一项课程实验，目前国内高校所使用的实验台均存在一些问题。首先，实验装置的核心元件换热圆管直接安装在方形空气流道中，圆管两端嵌入风道壳体，直接对其通电进行加热。当其与来流空气进行换热时，由于圆管端部无法与空气进行对流换热，从而导致整根圆管表面的温度梯度非常大。发明人使用红外热像仪对圆管表面的温度进行了实验测量，结果表明当圆管中心温度为80℃时，圆管表面的温度梯度甚至超过30℃，如此大的温度差显然无法准确测量该圆管的对流换热情况。

国内高校目前所使用的实验台测量得到的Nu的实验值与经验值的偏差普遍较大，从部分高校学生撰写的实验报告中发现有的实验台的偏差甚至超过100％，且由于圆管表面温度梯度随风速的变化而发生变化，因此该偏差与风速呈线性关系变化，产生明显的系统偏差，本实验如此大的偏差显然起不到应有的教学效果，甚至反而使学生通过实验对《传热学》课程的基本原理得到错误的认识。除此之外，现有的实验台均使用离心风机来实现气流的流动，其噪音为80～85分贝，过大的噪音严重影响教师的授课过程和学生的实验过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种空气横掠单管强制对流换热教学实验装置及使用方法，将换热圆管表面的温度梯度控制在0.1℃之内，Nu数的实验值与经验值的偏差不超过10％，此外，设计了新的风洞，将实验的噪音降至40～60分贝。

为实现上述目的，本发明采用以下的实验方案来实现：

一种空气横掠单管强制对流换热教学实验装置，包括实验风洞、实验圆管加热功率测量电路以及实验圆管温度控制和测量部分；其中，实验风洞包括实验段、风洞收缩段、风洞稳定段和风洞扩散段，实验段一端与风洞收缩段相连通，风洞收缩段与风洞稳定段相连通，实验段另一端与风洞扩散段相连通；

实验圆管两端分别插入两块散热铝块中，两块散热铝块外侧各安装有一片半导体片，半导体片外侧安装有散热风扇；

实验圆管温度控制和测量部分包括用于控制和测量实验圆管壁面温度的测量装置。

本发明进一步的改进在于，实验段内设置有第四铂电阻，第四铂电阻连接有第四温度控制器，实验段内设置有毕托管，毕托管连接有差压测量仪；实验圆管加热功率测量电路包括安装在实验段内的实验圆管、第一直流电源和标准电阻，实验圆管一端经第一直流电源与标准电阻相连，标准电阻与实验圆管另一端相连；实验圆管表面引出两根测压导线，连接至第一电压表；标准电阻两端引出两根测压导线，连接有第二电压表；标准电阻的阻值为0.001Ω。

本发明进一步的改进在于，测量装置包括设置在实验圆管内部的第一铂电阻、第二铂电阻和第三铂电阻，第一铂电阻连接有第一温度控制器，第二铂电阻连接有第三温度控制器，第三铂电阻连接有第二温度控制器；

或测量装置包括设置在实验圆管内部的第一铂电阻、第一热电偶和第二热电偶，第一铂电阻连接有第一温度控制器，第一热电偶连接有第三温度控制器，第二热电偶连接有第二温度控制器；

第二温度控制器连接有第二继电器，第二继电器与半导体片相连，半导体片连接有第二直流电源，第二继电器、半导体片和第二直流电源组成串联电路；