热 平 衡 实 验 报 告
以吾之名
一、 实验目的
1、熟悉已有的热风炉系统，并了解其运行方式及原理； 2、对已有的热风炉系统进行热平衡试验，深刻了解热风炉系统中能量转换过程；
3、熟悉各种仪器的使用，强化动手能力。 二、热平衡实验原理
利用系统内能量的收支平衡来验证热平衡，整个实验设备包含热风炉和换热器两部分。首先热风炉通电，加热内部的电阻丝，开启鼓风机向热风炉内充入具有一定速度的空气，空气掠过热风炉内被电加热的电阻丝加热，之后进入热管换热器。热管换热器下部的螺旋管式热管内的介质被加热气化，上升到换热器的上部，换热器一段的鼓风机掠过换热器上部的热管，使其冷却，热管中介质液化下流，完成热量的交换。
在达到稳态过程后，整个系统的能量交换过程包括以下几个部分的能量交换：
1）鼓风机耗电转换为气体的动能（忽略由于热量变化导致的气体动能变化）； P1=U1I1
Q1=1/2qm1v12 P2=U2I2
Q2=1/2qm2v22
P1、P2分别是两端鼓风机的电能消耗；W
Q1、Q2分别是热风炉端和换热器段的空气获得的动能；J/s U、I是电压和电流；V,A qm是空气质量流量；kg/s
V是空气流速；m2/s
2）加热热风炉的电量转换为空气的热量（假设100%转化）； Q3=U3I3=qm1（cp1T1-cp0T0）
Q3是空气在热风炉中获得的热量；J/s cp是对应温度的等压比热；J/（kg K）
T1是热风炉出口温度，也是换热器下部进口温度 ；K T0是环境温度；K
3）热风炉中空气热量在热管换热器中传递给换热器端鼓入空气；
Q4=qm1（cp2T2-cp0T0） Q5=qm2（cp3T3-cp0T0） Q6=qm2（cp4T4-cp0T0）
Q4、Q5、Q6分别是换热器下部出口和上部进出口空气热量；J/s T2是换热器下部气体出口温度，K
T3和T4是换热器上部空气的进出口温度。K
4）炉体蓄热通过导热，辐射，对流的方式传递给周围环境 由实际情况可知，炉体的散热过程分为两个部分，大空间自然对
流和平板外强制对流：
首先对于四个竖直平板，有：
g?v?tl3Gr?v2Num?C(Gr?Pr)nmNum?hl
?Q7(1~4)?hA(?t) Gr是格拉晓夫数；
?v 是Gr数中的体胀系数，对于符合理想气体性质的气体，值为1/T;
△t是壁面温度tw与环境温度t∞的差值；K
l是特征长度，在这里是竖直平板高度；m v是运动粘度；m2/s
?是定性温度下的空气的导热系数，W/（m K）
Nu是努赛尔数 Pr是普朗特数；
m表示定性温度是壁面温度与环境温度的算术平均温度；℃ C，n
的取值根据格拉晓夫数而来，当
1.43x104 对于炉体上下表面： 对于热面向上： Nu?0.54(GrPr)0.25,104??GrPr??107Nu?0.15(GrPr),10??GrPr??100.25711 对于热面向下： Nu?0.27(GrPr)0.25,105??GrPr??1010 定性温度为同上，特征长度为L=Ap/P，Ap、P分别是换热面积与周界长度。 得出努赛尔数之后对流换热系数，最后求的散热量。 对于上表面的强制对流换热： Num?0.037（Re0.8?871）Pr0.33 Re是以平板全长l为特征长度的雷诺数 依据努赛尔数求的对流换热系数后求的散热量。 综上所述，针对整个热风炉系统（不包括风机）而言，能量交换满足以下式子： Q1+Q2+Q3+Q5=Q1+Q2+Q4+Q6+Q7+Q未知 Q7是炉体总散热量 Q未知是不明确的热量损失 W 对于整个系统而言，满足如下的关系式： P1+P2+Q3+Q5=Q1+Q2+Q4+Q6+Q7+Q未知’ Q未知’是整个系统的不明确能量损失 以上即是热平衡的原理。 三、热平衡实验设备 1、电阻丝热风炉 2、热管式换热器 3、鼓风机等 四、热平衡实验测试内容 五、热平衡实验测试仪器仪表
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