CN113077692B - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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；

第三温度控制器连接有第一继电器，第一继电器与半导体片相连，半导体片连接有第三直流电源，第一继电器、半导体片与第三直流电源，组成串联电路。

本发明进一步的改进在于，第一铂电阻位于实验圆管的中心，第二铂电阻和第三铂电阻分别位于实验圆管内部两侧，距离实验段内壁为实验圆管宽度的1/5～1/3位置处；

第一热电偶和第二热电偶分别位于实验圆管内部两侧，距离实验段内壁为实验圆管宽度的1/5～1/3位置处。

本发明进一步的改进在于，风洞稳定段内部设置有蜂窝器，蜂窝器内边缘处设置有纱网；

风洞扩散段一侧设置有轴流式风机，并且风洞扩散段与轴流式风机相连，轴流式风机连接有变频器。

本发明进一步的改进在于，实验段内还安装有遮热罩，第三铂电阻设置在遮热罩内，实验段上设置有与第三铂电阻相连的第四温度控制器；遮热罩的材料为陶瓷、尼龙或聚四氟乙烯，遮热罩的表面黑度小于0.1。

本发明进一步的改进在于，实验圆管内部填充有导热粉末；

实验段为两端开口的长方体状，由有机玻璃或聚碳酸酯材料制作，毕托管沿长度方向位于距实验段入口实验段总长的1/4～1/2位置处；

风洞收缩段的入口和出口均为长方形，风洞收缩段的收缩比为5.5～8；蜂窝器置于风洞稳定段中，蜂窝器一侧与风洞稳定段的入口平齐，蜂窝器长度为风洞稳定段的1/2～2/3，蜂窝器另一侧设置有纱网；风洞扩散段的出口为圆形，风洞扩散段的扩散角为4～7°。

本发明进一步的改进在于，实验圆管材质为石墨，外表面射率小于0.4；导热粉末为铝粉、铜粉、石墨粉或碳化硅粉。

本发明进一步的改进在于，实验圆管与来流空气方向垂直，沿长度方向上位于距实验段出口为实验段总长的1/3～1/2置处。

一种如上所述的空气横掠单管强制对流换热教学实验装置的使用方法，调节变频器频率进而控制风速，通过第一直流电源对实验圆管进行加热，通过测量装置测量实验圆管壁面温度t_w；

由第一电压表测量得到加热电压V；由第二电压表测量得到标准电阻的分压，除以标准电阻的阻值得到加热电流I，由第四温度控制器得到来流空气的温度t_f，根据下式计算得出对流换热系数h：

从而获得空气横掠单管强制对流换热的努塞尔数Nu：

其中，d为直径，λ为空气的导热系数，A为计算段的面积。

与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：对实验圆管两端温度进行保护控制，是本实验装置实验结果准确度能够大幅提升的决定因素。常规实验装置仅对圆管中心位置处的温度进行测量，当圆管加热后与空气进行对流换热时，由于圆管两端无法与冷空气进行换热，导致圆管两端温度较高。使用红外热像仪对圆管表面的温度进行了实验测量，当圆管中心温度为80℃时，圆管表面的温度梯度甚至超过30℃，如此大的温度梯度可能使实验测量结果的相对误差超过100％。本发明创造性的提出对圆管两端温度进行保护控制，在实验圆管外套装散热铝块，在散热铝块外表面安装半导体片，在实验圆管三个位置处设置温度测点，根据温度测量值由温度控制器自动将三个位置处的温度控制为完全一致。当实验圆管两端温度较高时，半导体片起制冷作用；当石墨管两端温度较低时，半导体片起加热作用。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。

进一步的，本实验装置通过设置科学的实验风洞，不仅提高了来流空气流速的均匀性，还大大降低了实验噪音，使本实验的教学环境得到颠覆性的提高。常规的实验装置均使用离心风机来产生高速气流，通过调节风门大小来调节气流速度，由于离心风机的噪音非常大，因此整个实验过程均处在约为80～85分贝的强噪音环境中，对教师和学生的健康产生一定的影响。此外，气流通常在长方形通道中流动，由于缺乏科学的空气动力学设计，使得风道中的气流速度波动度和均匀度都很差，对实验结果造成较大的误差。本发明根据空气动力学原理设计了科学的风道型面和尺寸，使得风道中的气流速度波动度和均匀度得到科学的提高。本装置使用轴流式风机代替离心式风机，同时选用转速较低的风机，使得实验噪音降至60分贝以内。

进一步的，使用石墨材质的实验圆管代替不锈钢管作为换热圆管，使得本实验能够更好的复现传热学基本理论，且为本实验带来多种优异性能，是本发明关键的创造之处。在《传热学》中，空气强制对流换热系数在一般情况下约为20～100W/(m²·K)，常规的实验装置使用不锈钢管作为换热圆管，由于不锈钢的电阻率较小，因此只能选用直径约为3～6mm的较小的圆管，较小的直径造成对流换热系数测量结果往往超过200W/(m²·K)。学生在处理实验数据后，可能对实验结果或《传热学》基本理论产生怀疑，或通过实验得出错误的认识。本发明在经过对多种材料(包括锰铜管、镍铬管、碳纤维管、碳素管等)的实验后，最终确定使用石墨管代替不锈钢管作为换热圆管。由于石墨的电阻率约为不锈钢的11～18倍，考虑到最大电流的限制，本装置可以使用直径为5～12mm的石墨管，其对流换热系数实验值约为60～130W/(m²·K)，基本符合一般情况下约为20～100W/(m²·K)的值。除此之外，石墨的导热系数约为不锈钢的10倍，因此圆管表面的温度均匀性也得到大幅提高，从而提高了实验测量的准确度。因此，通过石墨材质的的选取，使得本实验的科学性以及与理论知识点的结合性大大提高。

进一步的，在实验圆管与测温传感器之间填充导热粉末，是提高温度测量准确度的另一个关键创新。常规的实验装置将热电偶直接置于不锈钢管中间，热电偶测点难以与不锈钢管壁面接触，其仅靠空气的导热以及圆管内壁面的热辐射难以使热电偶与圆管达到热平衡，给热电偶测温带来较大的误差。此外，在对流换热过程中，圆管表面一圈的温度场并非均匀，而实验需要测量圆管表面一圈的平均温度，直接将热电偶插入不锈钢管中显然无法测量圆管的平均温度。本发明提出在实验圆管与测温传感器之间填充高导热粉末，不仅可使温度传感器测点与圆管非常容易达到热平衡，还能直接测量获得圆管表面的平均温度。尤其是填充碳化硅绝缘粉末时，还可消除传感器测点与圆管的导电，进一步提高温度测量的准确度。

进一步的，本装置使用变频器对风速进行控制，由于流道尺寸不发生变化，因此风速不但连续可调，气流速度波动度和均匀度也均不受影响，而且当风速较低时，实验的噪音也变得更低，甚至可以达到40分贝这一几乎完全安静的程度，大大改善了实验教学的环境。

进一步的，本发明在电路中引入0.001Ω这一极小的标准电阻，由于标准电阻的阻值极其精确，而电压信号的测量准确度较电流测量准确得多，因此巧妙的解决了本实验中的大电流难以测量准确的问题。

进一步的，本发明中通过设置遮热罩，使用了遮热罩技术，可以准确测量来流空气温度。常规实验台在风洞中直接布置热电偶对来流空气温度进行测量，甚至有的实验台直接用环境温度来代替来流空气温度。当在风洞中直接布置热电偶时，由于热电偶和加热圆管的位置较近，加热圆管会对热电偶产生热辐射，使得测量温度偏高；当直接用环境温度来代替来流空气温度时，空气在风洞中会产生动能与热能的相互转化，使得温度发生变化。本发明提出使用遮热罩的方法，不仅解决了来流空气温度无法准确测量的问题，还能在实验中直接向学生展示遮热罩这一重要的传热学知识点。此外，本发明还通过遮热罩材料的选取以及对外表面进行处理的方法，通过减小表面黑度进一步降低了热辐射对温度测量的影响。

本实验通过改变加热功率的测量方法，解决了造成实验测量结果产生误差的一个重要因素。由于本实验加热电压很小，而加热电流非常大，较大的电流难以进行测量，因此常规实验装置在测量加热功率时，通常使用分压器的方法。分压器为电流变送器，将电流信号转换为电压信号乘以分压器倍率进行测量。在将电流信号变送为电压信号的过程中，会造成电流测量结果产生较大的偏差。

附图说明

图1为本发明的实验装置整体结构图。

图2为使用铂电阻测温的实验圆管温度控制和测量系统结构图。

图3为使用热电偶测温的实验圆管温度控制和测量系统结构图。

其中，1为实验风洞，2为实验圆管加热功率测量电路，3为风洞收缩段，4为蜂窝器，5为实验段，6为风洞扩散段，7为轴流式风机，8为变频器，9为毕托管，10为差压测量仪，11为实验圆管，12为第一电压表，13为第一直流电源，14为第二电压表，15为标准电阻，16为纱网，17为第一铂电阻，18为第二铂电阻，19为第三铂电阻，20为第一温度控制器，21为第二温度控制器，22为第三温度控制器，23为第一继电器，24为第二继电器，25为第二直流电源，26为第三直流电源，27为散热铝块，28为半导体片，29为散热风扇，30为第一热电偶，31为第二热电偶，32为导热粉末，33为风洞稳定段，34为第四铂电阻，35为遮热罩，36为第四温度控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参见图1-图3，一种带两端冷却功能的空气横掠单管强制对流换热教学实验装置，包括实验风洞1、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，实验风洞1包括实验段5、风洞收缩段3、风洞稳定段33和风洞扩散段6，实验段5一端与风洞收缩段3相连通，风洞收缩段3与风洞稳定段33相连通，并且风洞收缩段3与风洞稳定段33为一体式结构，风洞稳定段33内部设置有蜂窝器4，蜂窝器4内边缘设置有纱网16。实验段5另一端与风洞扩散段6相连通，风洞扩散段6一侧设置有轴流式风机7，并且风洞扩散段6与轴流式风机7相连，轴流式风机7连接有变频器8，并由变频器8进行控制。实验段5内安装有毕托管9，实验段5外设置有差压测量仪10，毕托管9通过软管连接至差压测量仪10。实验段5内安装有遮热罩35，遮热罩35内部设置有第四铂电阻34，实验段5上设置有与第四铂电阻34相连的第四温度控制器36。

实验圆管加热功率测量电路2包括安装在实验段5内的实验圆管11、第一直流电源13和标准电阻15，实验圆管11两端通过导线与第一直流电源13和标准电阻15串联连接(即实验圆管11一端经第一直流电源13与标准电阻15相连，标准电阻15与实验圆管11另一端相连)。实验圆管11表面引出两根测压导线，连接至第一电压表12。标准电阻15两端引出两根测压导线，连接至第二电压表14。

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11壁面温度的测量装置。具体的，该测量装置包括设置在实验圆管11内部的第一铂电阻17。第一铂电阻17与设置在实验圆管11外部的第一温度控制器20相连，实验圆管11内部填充有导热粉末32。实验圆管11两端插入两块散热铝块27中，两块散热铝块27固定在实验段5的外表面，每块散热铝块27外侧各安装有2片半导体片28，每片半导体片28外侧安装有散热风扇29。

进一步的，实验圆管温度控制和测量部分根据两端所设置的温度传感器的不同分为两种。温度传感器包括铂电阻温度计和热电偶两种。

当使用铂电阻温度计时，实验圆管11内部设置有第一铂电阻17、第二铂电阻18和第三铂电阻19，第一铂电阻17连接有第一温度控制器20，第二铂电阻18连接有第三温度控制器22，第三铂电阻19连接有第二温度控制器21；

当使用热电偶时，实验圆管11内部设置有第一铂电阻17、第一热电偶30和第二热电偶31，第一铂电阻17连接有第一温度控制器20，第一热电偶30连接至第三温度控制器22，第二热电偶31连接至第二温度控制器21。

第二温度控制器21连接有第二继电器24，第二继电器24与半导体片28和第二直流电源25组成串联电路；第三温度控制器22连接有第一继电器23，第一继电器23与半导体片28和第三直流电源26组成串联电路。

进一步的，实验段5为长方体通道，由有机玻璃或聚碳酸酯材料制作，实验段5的内部截面宽度为200mm，高度为140mm，长度为300～500mm。实验段5顶部平面沿宽度中心线处打孔，孔内安装有毕托管9，毕托管9沿长度方向位于距实验段5入口实验段5总长的1/4～1/2位置处。实验段5侧面沿高度中心位置处打孔，孔内安装有遮热罩35，遮热罩35沿长度方向的位置与毕托管9相同，即遮热罩35位于毕托管9正下方。毕托管9连接有差压测量仪10。风洞收缩段3的入口和出口均为长方形，风洞收缩段3的出口与实验段5的入口相连。风洞收缩段3的收缩比为5.5～8，长度为240～320mm。蜂窝器4置于风洞稳定段33中，蜂窝器4一侧与风洞稳定段33的入口平齐，蜂窝器4长度为风洞稳定段33的1/2～2/3，蜂窝器4的截面为方形栅格，栅格宽度为5～30mm。蜂窝器4另一侧设置有纱网16，纱网16的规格为18～30目。实验段5的出口与风洞扩散段6的入口相连，风洞扩散段6的出口为圆形，风洞扩散段6的出口扩散角为4～7°，风洞扩散段6的出口与轴流式风机7相连。

进一步的，实验圆管11为石墨材料，其外径为5～12mm，圆管外表面抛光处理，使表面发射率小于0.4。实验圆管11的长度为250～350mm。实验圆管11与来流空气方向垂直，其在高度方向上位于实验段5的中心高度位置处，其在长度方向上位于距实验段5出口约为实验段5总长的1/3～1/2位置处。

进一步的，实验圆管11两端伸出实验段5外侧，伸出部分外套装有散热铝块27，散热铝块27与实验圆管11为紧配合。散热铝块27为长方体，边长为25～50mm，长度为40～70mm。

进一步的，实验圆管11内部与第一铂电阻17、第二铂电阻18和第三铂电阻19之间以及实验圆管11内部与第一热电偶30和第二热电偶31之间的空隙填充导热粉末32，导热粉末32优选碳化硅粉末，也可选用铝粉、铜粉、石墨粉和碳粉。

进一步的，铂电阻温度计为芯片式，外表面涂绝缘漆。热电偶测温点处涂绝缘漆。第一铂电阻17位于实验圆管11的中心位置处。第二铂电阻18和第三铂电阻19分别位于实验圆管11内部两侧，距离实验段5内壁为实验圆管11宽度的1/5～1/3位置处。第一热电偶30和第二热电偶31为温差型热电偶，第一热电偶30和第二热电偶31两支热电偶的一个测量端均位于实验圆管11的中心位置处，另一个测量端分别位于实验圆管11内部两侧距离实验段5内侧为实验圆管11宽度的1/5～1/3位置处。

进一步的，标准电阻15的阻值为0.001Ω，精度不低于万分之一。

进一步的，遮热罩35的材料为陶瓷、尼龙、聚四氟乙烯等导热系数小的材料，遮热罩35的外径为3～6mm，伸入实验段5内部的长度为50～120mm。遮热罩35的外侧进行镀铬抛光，或粘贴铝箔等材料，使表面黑度小于0.1。

进一步的，实验中的对流传热计算仅取实验圆管11温度完全均匀的部分，即为第二铂电阻18和第三铂电阻19，或第一热电偶30和第二热电偶31之间的部分。在两个温度传感器(第二铂电阻18和第三铂电阻19、或第一热电偶30和第二热电偶31)安装位置附近打孔，在孔中插入导线，将导线连接至第一电压表12进行实验圆管11的加热电压测量，实验中的换热面积A根据孔的轴向距离和实验圆管11的直径d计算得出。

一种空气横掠单管强制对流换热教学实验装置的使用方法如下：

打开变频器8的电源，调节变频器8频率进而控制风速，根据伯努利方程计算得到实验风速u。打开第一直流电源13对实验圆管11进行加热。

当使用铂电阻温度计对实验圆管11的温度进行控制时，读取第一温度控制器20的温度值，通过第二温度控制器21和第三温度控制器22调节半导体片28的通断和正负极，使第一温度控制器20、第二温度控制器21和第三温度控制器22的读数最终一致，取三个温度控制器的平均值作为实验圆管11的壁面温度t_w。

当使用热电偶对实验圆管11的温度进行控制时，通过第二温度控制器21和第三温度控制器22调节半导体片28的通断和正负极，使第二温度控制器21和第三温度控制器22的读数最终等于0，取第一温度控制器20的读数作为实验圆管11的壁面温度t_w。

由第一电压表12测量得到加热电压V。由第二电压表14测量得到标准电阻15的分压，除以标准电阻15的阻值得到加热电流I，由第四温度控制器36读出来流空气的温度t_f，计算得出对流换热系数h：

从而获得空气横掠单管强制对流换热的努塞尔数Nu：

其中，d为直径，λ为空气的导热系数，A为计算段的面积。

通过变频器8改变风速，通过调节第一直流电源13改变强制对流换热量，获得不同雷诺数Re及其所对应的努塞尔数Nu，从而获得强制对流换热的准则关系式。最后根据强制对流的经验关联式计算得到Nu数的经验值，将其与Nu数的实验值进行对比。

以下用实例对本发明的测量过程及结果进行说明。

实施例1

使用外径为10mm，总长为250mm的石墨管，石墨管测量段的长度为96.8mm。石墨管内设置有3支铂电阻温度计，分别连接至3台温度控制器，石墨管与温度计之间填充100目的碳化硅粉末。打开变频器，调节频率使毕托管测量得到的压差为51.0Pa，测量得到来流空气的温度为25.7℃，计算得到空气流速为9.73m/s。打开直流电源对石墨管进行加热，通过温度控制器手动调节控制，使三台温度控制器的读数趋于一致并达到稳定，读出三个温度的平均值，即石墨管表面的温度为44.5℃。计算得到该稳定对流换热状态的Re数为5574.5，Nu数为35.44。此时根据经验关联式计算得到的Nu数为33.87，实验值与经验计算值的偏差为4.66％。

实施例2

使用外径为6mm，总长为280mm的石墨管，石墨管测量段的长度为119.5mm。石墨管内设置有1支铂电阻温度计和2支热电偶温度计，分别连接至3台温度控制器，石墨管与温度计之间填充200目的石墨粉。打开变频器，调节频率使毕托管测量得到的压差为82.0Pa，测量得到来流空气的温度为26.2℃，计算得到空气流速为12.34m/s。打开直流电源对石墨管进行加热，通过与热电偶相连的温度控制器自动调节控制，将该两支热电偶的测量值控制为0℃稳定不变，根据铂电阻的读数得到石墨管表面的温度为69.3℃。计算得到该稳定对流换热状态的Re数为3952.2，Nu数为30.42。此时根据经验关联式计算得到的Nu数为28.83，实验值与经验计算值的偏差为5.52％。

Claims (9)

1.一种空气横掠单管强制对流换热教学实验装置，其特征在于，包括实验风洞(1)、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(1)包括实验段(5)、风洞收缩段(3)、风洞稳定段(33)和风洞扩散段(6)，实验段(5)一端与风洞收缩段(3)相连通，风洞收缩段(3)与风洞稳定段(33)相连通；实验段(5)另一端与风洞扩散段(6)相连通；

实验圆管(11)两端分别插入两块散热铝块(27)中，两块散热铝块(27)外侧均安装有半导体片(28)，半导体片(28)外侧安装有散热风扇(29)；

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(11)壁面温度的测量装置；

实验圆管(11)材质为石墨，外表面射率小于0.4，实验圆管(11)内部填充有导热粉末(32)；

测量装置包括设置在实验圆管(11)内部的第一铂电阻(17)、第二铂电阻(18)和第三铂电阻(19)，第一铂电阻(17)连接有第一温度控制器(20)，第二铂电阻(18)连接有第三温度控制器(22)，第三铂电阻(19)连接有第二温度控制器(21)；

或测量装置包括设置在实验圆管(11)内部的第一铂电阻(17)、第一热电偶(30)和第二热电偶(31)，第一铂电阻(17)连接有第一温度控制器(20)，第一热电偶(30)连接有第三温度控制器(22)，第二热电偶(31)连接有第二温度控制器(21)；

第二温度控制器(21)连接有第二继电器(24)，第二继电器(24)与半导体片(28)相连，半导体片(28)连接有第二直流电源(25)，第二继电器(24)、半导体片(28)和第二直流电源(25)组成串联电路；

第三温度控制器(22)连接有第一继电器(23)，第一继电器(23)与半导体片(28)相连，半导体片(28)连接有第三直流电源(26)，第一继电器(23)、半导体片(28)与第三直流电源(26)，组成串联电路。

2.根据权利要求1所述的一种空气横掠单管强制对流换热教学实验装置，其特征在于，实验段(5)内设置有第四铂电阻(34)，第四铂电阻(34)连接有第四温度控制器(36)，实验段(5)内设置有毕托管(9)，毕托管(9)连接有差压测量仪(10)；

实验圆管加热功率测量电路(2)包括安装在实验段(5)内的实验圆管(11)、第一直流电源(13)和标准电阻(15)，实验圆管(11)一端经第一直流电源(13)与标准电阻(15)相连，标准电阻(15)与实验圆管(11)另一端相连；实验圆管(11)表面引出两根测压导线，连接至第一电压表(12)；标准电阻(15)两端引出两根测压导线，连接有第二电压表(14)；标准电阻的阻值为0.001Ω。

3.根据权利要求1所述的一种空气横掠单管强制对流换热教学实验装置，其特征在于，第一铂电阻(17)位于实验圆管(11)的中心，第二铂电阻(18)和第三铂电阻(19)分别位于实验圆管(11)内部两侧，距离实验段(5)内壁为实验圆管(11)宽度的1/5～1/3位置处；

第一热电偶(30)和第二热电偶(31)分别位于实验圆管(11)内部两侧，距离实验段(5)内壁为实验圆管(11)宽度的1/5～1/3位置处。

4.根据权利要求1所述的一种空气横掠单管强制对流换热教学实验装置，其特征在于，风洞稳定段(33)内部设置有蜂窝器(4)，蜂窝器(4)内边缘处设置有纱网(16)；

风洞扩散段(6)一侧设置有轴流式风机(7)，并且风洞扩散段(6)与轴流式风机(7)相连，轴流式风机(7)连接有变频器(8)。

5.根据权利要求1所述的一种空气横掠单管强制对流换热教学实验装置，其特征在于，实验段(5)内还安装有遮热罩(35)，第四铂电阻(34)设置在遮热罩(35)内，实验段(5)上设置有与第四铂电阻(34)相连的第四温度控制器(36)；遮热罩(35)的材料为陶瓷、尼龙或聚四氟乙烯，遮热罩(35)的表面黑度小于0.1。

6.根据权利要求1所述的一种空气横掠单管强制对流换热教学实验装置，其特征在于，

实验段(5)为两端开口的长方体状，由有机玻璃或聚碳酸酯材料制作，毕托管(9)沿长度方向位于距实验段(5)入口实验段(5)总长的1/4～1/2位置处；

风洞收缩段(3)的入口和出口均为长方形，风洞收缩段(3)的收缩比为5.5～8；蜂窝器(4)置于风洞稳定段(33)中，蜂窝器(4)一侧与风洞稳定段(33)的入口平齐，蜂窝器(4)长度为风洞稳定段(33)的1/2～2/3，蜂窝器(4)另一侧设置有纱网(16)；

风洞扩散段(6)的出口为圆形，风洞扩散段(6)的扩散角为4～7°。

7.根据权利要求6所述的一种空气横掠单管强制对流换热教学实验装置，其特征在于，导热粉末(32)为铝粉、铜粉、石墨粉或碳化硅粉。

8.根据权利要求6所述的一种空气横掠单管强制对流换热教学实验装置，其特征在于，实验圆管(11)与来流空气方向垂直，沿长度方向上位于距实验段(5)出口为实验段(5)总长的1/3～1/2位置处。

9.一种如权利要求2所述的空气横掠单管强制对流换热教学实验装置的使用方法，其特征在于，调节变频器(8)频率进而控制风速，通过第一直流电源(13)对实验圆管(11)进行加热，通过测量装置测量实验圆管(11)壁面温度t_w；

由第一电压表(12)测量得到加热电压V；由第二电压表(14)测量得到标准电阻(15)的分压，除以标准电阻(15)的阻值得到加热电流I，由第四温度控制器(36)得到来流空气的温度t_f，根据下式计算得出对流换热系数h：

从而获得空气横掠单管强制对流换热的努塞尔数Nu：

其中，d为直径，λ为空气的导热系数，A为计算段的面积。

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