维普资讯 http://www.cqvip.com 堡 ＝塑 实验技术与管理 第２５卷第５期２００８年５月 ＣＮｌｌ一２０３４／Ｔ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｖｏ１．２５ Ｎｏ．５ Ｍａｙ ２００８ 空气横掠圆管强迫对流换热实验的研究 宋艺新，侯树鑫，段远源 （清华大学热能工程系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京摘１０００８４） 要：介绍了空气横掠水平圆管强迫对流换热的实验原理和清华大学热工学实验室的实验系统的设计， 并根据相似原理整理了使用本系统测试的实验数据，对实验数据进行了分析与讨论。实验系统结构合理紧 凑、实验精度较高，能够较好地满足实验与教学的需要。 关键词：换热；圆管；强迫对流；实验研究 中图分类号：ＴＫ１２１；ＴＫ１２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－４９５６（２００８）０５－００５０－０３ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｆｏｒｃｅｄ ｈｅａｔ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｃｉｒｃｕｌａｒ ｔｕＤｅｓ Ｗｌｔｎ ｃｒｏｓｓｅＱ ａ● １ １ ●１ ３１ ｌｒ ＩｌＯＷ ● 几 ＳＯＮＧ Ｙｉ－ｘｉｎ，ＨＯＵ Ｓｈｕ—ｘｉｎ，ＤＵＡＮ Ｙｕａｎ－ｙｕａｎ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ｈｅｒＴｍＭ Ｅｎｇｉ－ ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ｆｏｒｃｅｄ ｈｅａｔ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｃｉｒｃ￣ｔｕｂｅｓ ａｙｅ ｉｎｔｒｏ－ ｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｄｅａｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｏｇｙ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｒｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉ－ ｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｒｅ ｒａｔｈｅｒ ｃｏｍｐａｃｔ ａｎｄ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｗｈｉｃｈ Ｃａｌｌ ｍｅｅｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ；ｃｉｃ￣ｒｔｕｂｅ；ｆｏｒｃｅｄ ｈｅａｔ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ 对流换热是传热学中最基本、最重要的研究领 域之一，实验研究是其重要的研究手段。本文在已 有工作的基础上 ｊ，针对传热学中经典的空气横 掠圆管强迫对流换热问题搭建了实验台，通过实验 获取了多种工况下的平均表面换热系数，根据相似 原理整理了对流换热准则关联式，与文献推荐值进 Ｎｕ＝Ｃ Ｒｅ ， （１） 式（１）中，努谢尔特数Ｎｕ和雷诺数 可分别表 示为 Ｎｕ＝ｈＤ／Ａ， Ｒｅ＝ｕＤ／￣，， （２） （３） 式中，Ａ为空气导热系数， 为空气流速， 为空 气粘度系数，Ｄ为圆管外径， 为平均表面换热系 数。 由下式得到： ｈ＝０ ／Ｆ（ｔ 一ｔｆ）， （４） 式（４）中：Ｑ 为圆管外表面与周围空气的对流换 行了比较。实验系统结构合理紧凑、操作方便，具 有较高的可靠性，实验精度较高，较好地满足了相 关实验教学的需要。 本实验台的建设也是清华大学热能工程系热工 教学实验室在学校９８５经费支持下进行的系列教学 实验建设的项目 之一。 热量；Ｆ为管的外表面积，Ｆ＝霄 ，Ｌ为圆管的 有效长度；ｔｗ为圆管壁温度；ｔｆ为来流空气的温度。 考虑到圆管外表面与周围空气进行对流换热的同时 与周围环境间还存在辐射换热，则对流换热量Ｑ 可表示为 Ｑ ＝ｈＦ（ｔ 一ｔｆ）＝ Ｑ一８ＣｏＦ（ 一 ）ｘ １０～， （５） １实验原理 根据相似理论，空气横掠圆管强迫对流换热过 程可以由如下的准则关联式表示： 收稿日期：２００７．０７．０５ 作者简介：宋艺新（１９５６一），女，ｊＥ京市人，大专，高级实 验师， 式（５）中：Ｑ为圆管的加热量； 为圆管外表面 的黑度；Ｃｏ为黑体辐射常数，Ｃｏ＝５．６７Ｗ・ｎｌ～・ Ｋ～； 和 分别为圆管壁和来流空气温度，单 维普资讯 http://www.cqvip.com 宋艺新，等：空气横掠圆管强迫对流换热实验的研究 ５１ 位为Ｋ。因此，圆管外表面平均对流换热系数为 ｈ＝［Ｑ／Ｆ—ｅＣ０（ 一 ）×１０一。］／（ｔ 一ｔｆ）． （６） 测量系统２部分组成，其中实验本体系统由实验段 和风洞２个主要部分组成。本文设计了Ａ、Ｂ两套 在本实验中，通过测量加热量Ｑ、圆管壁温ｔ 和来流空气的温度ｔ ，就可以获得空气横掠圆管的 平均换热系数ｈ。实验过程中通过改变空气来流速 度和圆管管径即可获取不同工况下的实验数据，整 理得到对流换热准则关联式。 独立实验系统，其中Ａ系统圆管外径Ｄ 为１９．８ ｍｍ，Ｂ系统圆管外径Ｄ 为３９．８２ ｍｍ。实验圆管 材料为紫铜，外表面镀铬。圆管内部均匀缠有电阻 丝对圆管进行加热。图１为风洞结构示意图，主要 包括进风口、蜂窝器、整流器、测试段、实验段、 收缩段、测量段以及风机等。 ２实验系统设计 本文设计的对流换热实验台由实验本体系统和 ｌ 目 ｝＋叫一一 －１一一一｝－ ＿｝ 十｝ Ｅ＝ １一风１３；２－蜂窝器；３－整流器；４－测试段；４＇－实验圆管；５－实验段 ６－支撑物；７－收缩段；８－测量段；９－橡皮连接管；１０－风机；１１一电机 图１实验系统风洞结构示意图 风洞内的风速可以通过调节出口挡板的开度和 通过变频电机调节风机功率来实现。实验段风道横 截面为矩形，宽 为４５０ ｍｍ，高 为１５０ ｍｍ。实 验圆管位于横截面中央。Ａ、Ｂ两套实验系统中圆 管的有效长度分别为４７０ ｍｍ和４７５ ｍｍ。图２为实 验段风道横截面示意图。 可得驻点处的来流速度为 厂————一＝ ／ （Ｐ 一Ｐ）． ｐｆ （８） 式（７）和式（８）中，Ｐ 为驻点压力，Ｐ为来流 压力，Ｐ 为来流空气密度， 。为驻点速度（ ＝０）， 为空气来流速度。 实验中的压差（Ｐ 一Ｐ）采用ＷＱ一１１５１电容 式微差压变送器来测量，其量程为０～１．６ ｋＰａ，精 度为０．２５级。由此可得实验段处的风速： ／Ｚ＝ｖＡ ／（Ａ。一ＬＤ）， （９） 式（９）中： ５００ｒａｍ 为毕托管处流道截面积，Ａ ＝ ０．０１２ ｍ ；Ａ 为圆管处实验段的流道截面积，Ａ。＝ ０．０６７５ ｍ 。 １－风道壁面；２－实验圆管；３－热电偶；４－有机玻璃套管；５－胶木塞 图２实验段风道横截面示意图 为了测量加热功率，实验中在加热电路中串联 了阻值为０．０１ Ｑ的标准电阻Ｒ，通过测量Ｒ两端 测量系统由风速、加热功率及温度测量３部分 构成。本文使用毕托管和微差压差变送器测量风 速，其结构如图３所示。根据伯努利方程： ２的电压 获取串联电路的电流，，，＝ＵＪＲ。加热 段的加热功率可以表示为 Ｑ＝（ 一 ）ｕ．／Ｒ， （１０） ——＋——＝——＋——． Ｐｆ‘２ Ｐｆ‘２’ ＋ ：一Ｐ２＋ ， （７）Ｉ，Ｊ 式（１０）中 为电源电压。 实验圆管的壁温ｆ 和空气温度ｔｆ采用铜一康铜 维普资讯 http://www.cqvip.com ５２ 实验技术与管理 算得到的准则数１Ｖｕ和如列于表１。图４给出了本 文实验结果与经验关联式 的比较情况。由图４可 见，如较小时本文结果与经验关联式吻合较好， ｅ较大时略大于经验关联式，而这些实验数据主 要来自于Ｂ实验系统，其圆管固定方式与Ａ系统 略有差别，因此造成圆管与固定物间的导热散热量 较多，这可能是造成偏差的主要原因。 图３毕托管和微差压变送器测速原理图 热电偶测量，测量壁温时热电偶的一端埋设于圆管 管壁处，而其冷端置于装有冰水混合物的冰瓶中。 通过数字万用表测得的热点偶电势差由铜一康铜热 电偶分度表转换得到相应的温度值。 ３数据处理与分析 通过实验测得加热量Ｑ，圆管壁温ｆ 及来流空 气的温度ｔ ，由式（６）可得到不同工况下的平均 表面换热系数ｈ。计算用到的空气物性参数取自参 考文献［６］。采用本实验系统测得的实验数据及计 图４实验数据与经验关联式的比较 表１ Ａ、Ｂ系统空气横掠圆管强迫对流换热实验结果 Ａ系统实验结果 Ｂ系统实验结果 ℃ ２３．３ ２３．２ ２３．３ ２３．３ ２２．５ ２２．８ ２．９ ２３．０ ２４．５ ４．２ ２２２．２ ２３．６ ２３．９ ４．２ ２４．８ ２鲁℃ １２３．６２ １３５．２７ ９６．２９ ７０．３９ １２１．７３ ９９．９２ ８７．７７ ７８．３０ ７２．１１ ６７．５８ １３６．０４ １Ｏ８．７２ ９５．１８ ８７．５９ ７２．８９ ｍ ０．８１２ ０．５０１ １．８６８ ４．３９１ ０．８８１ １．７３５ ２．５８０ ３．４３５ ４． 潍５．１２８ ０．６０７ １．３４５ ２．０５７ ２．６３２ ４．２８５ …胁 ７９８．９ ４７８．９ １９７４．３ ４９８６．９ ８７２．４ １８１８．１ ２７９３．７ ３８１８．２ ４８２５．４ ５８５４．７ ５８０．２ １３７４．３ ２１７７．２ ２８４ｌ＿９ ４８１１．５ …。 １４．３３ １２．５４ ２０．７４ ３３．７１ １４．５３ １９．４９ ２３．６９ ２８．２７ ３３．１５ ３６．７０ １２．３４ １７．３９ ２１．２９ ４．２７ ２３２．８４ ℃ ２３．３ ２３．３ ２３．２ ２３．３ ２２．９ ２３．５ ２２．９ ２２．９ ４．２ ２２４．５ ２２．２ ２３．６ ２３．９ ２４．２ ２４．８ ℃ １３４．４８ ９９．７７ ８４．０３ ７５．５８ １４７．３２ １１２．９０ ９７．０９ ８６．５５ ７９．０６ ７１．８９ １３０．４３ ９８．２２ ８６．４９ ８０．１５ ７６．５２ ｍ ＳＩ１ ２．５２５ ４．６４８ ６．８１４ ８．４５５ ２．Ｏ９６ ３．５３８ ４．９９０ ６．４４８ ７．８９７ ９．５７２ ２．６３２ ４．７８１ ６．３４６ ７．４０５ ８．１１８ … ４８０８．７ ９７３２．２ １４８９８ １８９２２ ３８８４．０ ７１４８．４ １０５３５ １４Ｏ１０ １７４５８ ２１５７２ ５０９ｌ９．９ １００４４ １３７５５ １６３２２ １８Ｏ４４ …。 ３７．７７ ５８．２６ ７５．１９ ８８．７１ ３２．８８ ４８．５４ ６ｏ．１２ ７１．３７ ８３．６５ ９７．９６ ３８．８５ ５９．４４ ７２．２４ ８１．６５ ８８．８０ ２５．２ ２３．０ ２２．８ ６９．８２ １６２．４３ １２８．７２ ４．８６１ ０．０００ ０．７０４ ５４９９．７ ０．Ｏ００ ６８４．３ ３５．５７ ９．５３ １３．４４ ２５．２ ２３．５ ２３．５ ７１．１３ １３２．７０ １ｏ６．４１ ９．２８１ ２．５３５ ３．９８３ ２ｏ９ Ｏ ４８６６．７ ８１８７．１ １ｏ０．８３ ３８．３４ ５２．８４ （下转第５５页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 姜彬：蛋白质免疫印记分析法实验条件的研究 ５５ 动，时间为１０ ｈ以上或过夜。 ３．５抗体结合反应操作的注意点 一且难度比较大的一项技术，掌握好它并不容易， 要想得到理想的实验结果，往往要经过多次的预 抗二抗的结合反应最好在４℃下进行，并不 断缓慢振摇，这样可以使背景减弱。反应温度过 高，如夏季室温，可能导致背景加深，不利于结果 分析。在一抗二抗结合反应之间，膜均应仔细漂洗 若干次，比如１０分钟×３次，以减少非特异结合， 增加特异性。 ３．６显色反应 实验，要不断完善和改进实验条件，以优化实验 结果，这对于实验本身和进一步的分析研究都有 所裨益。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ［１］Ｒ Ｍ特怀曼．高级分子生物学要义［Ｍ］．北京：科学出版 社，２０００． 显色液临用前应新鲜配制，显色反应置于暗处 进行，平静放置，不能震荡或摇动，以免杂交点带 ［２］Ｊ萨姆布鲁克．分子克隆实验指南［Ｍ］．北京：科学出版 社，１９９８． ［３］卢圣栋．现代分子生物学实验技术［Ｍ］．北京：高等教育出版 社，１９９３． 发生位移，每张膜最好单独显色，防止膜重叠而导 致膜间带点之间相互污染。 ［４］吴冠芸，潘华珍．生物化学与分子生物学实验常用数据手册 ［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９９． ４结束语 Ｗｅｓｔｅｒｎ ｂｌｏｔｔｉｎｇ是分子生物学实验技术中一 ［５］Ｍ凯里，ｓ Ｔ斯美尔．真核生物转录调控一概念策略与方法 ［Ｍ］．北京：科学出版社，２００２． 项非常重要的蛋白质分析测试技术，也是常用而 （上接第５２页） 续表 Ａ系统实验结果 Ｒｍ ８ Ｂ系统实验结果 …’ 肌 ℃ ４．２ ２４．８ ２ｏ Ｃ ８７．２９０ ７６．２４２ ｍ ８ … ⅣⅡ…’ ７１．６３ ８９．４２ ２３．５ ２４．２ １０４．４１ ９１．８８ １．５５１ ２．１９３ １６０３．２ ２３４０．２ １８．４３ ２２．５３ ６．１１８ ８．１９８ １３２２０ １８２３６ ２４．３ ２１．６ ２２．２ ２３．４ ２３．７ ２３．５ ８５．２９ １４９．８１ １３２．８４ ｌ１６．３８ １０７．４２ ９７．０７ ２．６９５ ０．２９２ ０．５７８ １．Ｏ６９ １．３９１ １．９ｌ１ ２９２７．３ ２７０．１ ５５６．５ １Ｏ７１．２ １４２５．８ ２０１４．８ ２５．３１ １０．６６ １２．７８ １５．６９ １７．７２ ２０．５６ ４．５ ２２２．２ ２２．７ ２４．２ ２４．４ ２５．２ １７７．１２ １２９．５２ ９８．１６３ ８３．８４０ ７４．８０５ ７３．４６２ １．２７１ ２．６４０ ４．７１２ ６．５９９ ８．２９７ ８．８７５ ２１８３．７ ５１２５．７ ９９２４．４ １４３９６ １８５５２ １９８７４ ２５．３１ ３９．１８ ５８．７６ ７６．０２ ９１．２９ ９５．４７ ４结论 空气横掠圆管强迫对流换热实验综合运用了传 热学和流体力学中的多种测试手段，充分考虑了各 种非理想因素的影响，通过该实验可以获取多种实 验工况下的高精度实验数据，依据对流换热相似理 论，整理的准则关联式对于教学科研和工程应用具 实验技术与管理，２００３，２０（５）：５—８． ［２］宋艺新．营造良好的实验环境，培育高素质人才［Ｊ］．实验技 术与管理，２００２，１９（６）：１０２—１０５． ［３］宋艺新，林鸿，段远源，等．水的饱和蒸汽压实验装置的研制 ［Ｊ］．实验技术与管理，２００７，２４（７）：６４—６６． ［４］陈君，彭晓峰，段远源．微尺度热现象可视化教学实验装置制 作与实验［Ｊ］．实验技术与管理，２００３，２０（４）：４８—５１． ［５］林鸿，段远源．二元混合物表面张力的实验测量方法［Ｊ］．实 验技术与管理，２００３，２０（５）：７２—７５． 有重要的参考价值，本实验已作为清华大学本科教 学实验投入使用，并取得了较好效果。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ［１］宋艺新，段远源．空气沿横管外表面自然对流实验系统［Ｊ］ ［６］杨世铭，陶文铨．传热学［Ｍ］．３版．北京：高等教育出版 社．１９９８． ［７］Ｈｏｈｎａｎ Ｊ Ｐ，Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ［Ｍ］．９ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ： ＭｃＧｒａｗ—Ｈｉｌｌ，１９９９．