專利名稱：重力熱管式豎管外空氣自然對流傳熱實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及實驗裝置，尤其涉及一種重力熱管式豎管外空氣自然對流傳熱實驗裝置。
背景技術(shù)：
自然對流是由于流體內(nèi)部存在溫度差導(dǎo)致質(zhì)量力分布不均勻而引起的。不均勻溫度場造成了不均勻密度場，由此產(chǎn)生的浮升力成為運動的動力。自然對流傳熱現(xiàn)象是自然界中常見的現(xiàn)象。大至氣象學(xué)的規(guī)模，當(dāng)?shù)厍虮砻娼邮芴栒丈浜?，大氣就會產(chǎn)生自然對流運動，形成附著于地表與地面平行的氣流或從地表分離上升的其他不穩(wěn)定的氣體流動，進而形成影響我們?nèi)粘Ｉ畹母鞣N氣候現(xiàn)象；小至日常消費品，例如夏天飲用的冰鎮(zhèn)飲料置于環(huán)境中時，因其溫度低于環(huán)境溫度，飲料罐壁與周圍空氣不斷換熱而導(dǎo)致自身溫度不斷升高，也會引發(fā)周圍空氣的自然對流現(xiàn)象，并借助這種自然對流換熱方式進一步強化與環(huán)境的熱量交換。又如，暖氣管道的散熱，墻壁的散熱等。 自然對流現(xiàn)象廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中各個領(lǐng)域。由于它與生產(chǎn)和生活有著密切聯(lián)系，人們對它早已產(chǎn)生了濃厚興趣，并在不斷地進行研究。研究圓管在空氣中自然對流散熱的規(guī)律，在科學(xué)界與工程界均具有十分重要的意義。對于幾種典型的表面形狀的大空間自然對流換熱，傳熱學(xué)領(lǐng)域的一些學(xué)者已經(jīng)成功地整理成實驗關(guān)聯(lián)式。應(yīng)用相似原理進行實驗研究是高等工科院校實驗教學(xué)環(huán)節(jié)不可缺少的重要內(nèi)容。對于圓管外的空氣自然對流和強迫對流傳熱實驗裝置，許多大學(xué)均采用自制設(shè)備來完成。如浙江大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。傳統(tǒng)的實驗，采用在圓管內(nèi)直接布置電阻絲進行加熱模擬圓管發(fā)熱情況，由于布置電阻絲的不均勻性，導(dǎo)致圓管表面溫度不均勻性很大。并且，采用電流表測量加熱電流，采用電壓表測量加熱電壓，采用電子電位差計配合熱電偶測量管壁表面溫度，均通過繁瑣的測量形式及多種電子儀表組合來實現(xiàn)。這樣的實驗裝置不能實現(xiàn)測量手段的模塊化、智能化及設(shè)備的一體化，在實驗過程中耗時費力，大量時間精力用于簡單而繁瑣的儀表操作。實驗精度較差。對于自然對流， 也有采用MCS51系列單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及控制的實驗裝置。但是MCS51系列單片機需要另外設(shè)計硬件電路，并且編制相應(yīng)軟件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種重力熱管式豎管外空氣自然對流傳熱實驗裝置。重力熱管式豎管外空氣自然對流傳熱實驗裝置包括硅整流直流電源、熱管式實驗裝置、數(shù)據(jù)采集儀、計算機、標(biāo)準電阻，熱管式實驗裝置包括重力熱管、熱電偶、電阻絲、絕緣管和杜瓦瓶，熱管式實驗裝置為多個，重力熱管冷凝段外壁設(shè)有多個熱電偶，重力熱管蒸發(fā)段外側(cè)依次設(shè)有電阻絲、絕緣管、杜瓦瓶，硅整流直流電源經(jīng)標(biāo)準電阻與重力熱管實驗裝置的電阻絲相連接，數(shù)據(jù)采集儀分別與硅整流直流電源、計算機和熱管式實驗裝置的熱電偶
3相連接。所述的重力熱管的直徑D為20 200mm,重力熱管的有效管長L為500 2000mm。 所述的熱管式實驗裝置為6 10個。所述的熱管式實驗裝置并列放置的間距T為I 3 米。所述的數(shù)據(jù)采集儀由Agilent 34970A主機和2 3塊34901A插卡模塊組成。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果
(1)采用重力熱管模擬實際圓管，由于重力熱管內(nèi)部采用氣液兩相流體相變換熱，具有良好的等溫性，熱管表面的各點溫度均勻性和一致性極其良好，大大提高了實驗的精度；而傳統(tǒng)實驗裝置在圓管內(nèi)布置電加熱絲由于布置的不均勻性會引起管壁溫度的不均勻，實驗精度較差；
(2)數(shù)據(jù)測量采用了數(shù)據(jù)采集儀和計算機自動記錄，與傳統(tǒng)的同類型實驗裝置相比，儀表的體積減少，數(shù)量減少，而且實驗測量精度得到提高；相比于采用MCS51系列單片機采集數(shù)據(jù)的實驗裝置，也簡化了硬件配置；
(3)數(shù)據(jù)采集儀和計算機的引入，改變了傳統(tǒng)由多個儀表組合測量自然對流傳熱過程需測量大量參數(shù)的模式。通過數(shù)據(jù)處理專用軟件，可以實時在計算機屏幕上顯示測量數(shù)據(jù)， 并進行自動分析計算，得到圓管外空氣自然對流的實驗準則關(guān)聯(lián)式，繪出實驗擬合曲線。實驗結(jié)果可以實時顯示、存儲、打印，是一套模塊化、智能化、方便而實用的空氣自然對流傳熱實驗裝置。


圖I是空氣自然對流傳熱實驗系統(tǒng)示意圖，
圖2是空氣自然對流傳熱實驗用熱管式實驗裝置示意圖中，硅整流直流電源I、熱管式實驗裝置2、數(shù)據(jù)采集儀3、計算機4、標(biāo)準電阻5、重力熱管6、熱電偶7、電阻絲8、絕緣管9、杜瓦瓶10。
具體實施例方式如圖1、2所示，重力熱管式豎管外空氣自然對流傳熱實驗裝置包括硅整流直流電源I、熱管式實驗裝置2、數(shù)據(jù)采集儀3、計算機4、標(biāo)準電阻5，熱管式實驗裝置2包括重力熱管6、熱電偶7、電阻絲8、絕緣管9和杜瓦瓶10，熱管式實驗裝置2為多個，重力熱管6冷凝段外壁設(shè)有多個熱電偶7，重力熱管6蒸發(fā)段外側(cè)依次設(shè)有電阻絲8、絕緣管9、杜瓦瓶10， 硅整流直流電源I經(jīng)標(biāo)準電阻5與重力熱管實驗裝置2的電阻絲8相連接，數(shù)據(jù)采集儀3 分別與硅整流直流電源I、計算機4和熱管式實驗裝置2的熱電偶7相連接。所述的重力熱管6的直徑D為20 200mm,重力熱管6的有效管長L為500 2000mm。所述的熱管式實驗裝置2為6 10個。所述的熱管式實驗裝置2并列放置的間距T為I 3米。所述的數(shù)據(jù)采集儀3由Agilent 34970A主機和2 3塊3490IA插卡模塊組成。
實施例重力熱管下端蒸發(fā)段外部采用外繞電阻絲加熱，電阻絲由硅整流直流電源供電， 加熱電流通過串接標(biāo)準電阻后轉(zhuǎn)換為電壓信號接入數(shù)據(jù)采集儀34970A，加熱電壓直接接入數(shù)據(jù)采集儀34970A，電阻絲外套絕緣管，絕緣管外采用杜瓦瓶保溫。重力熱管上端蒸發(fā)段外表面均勻焊接:Γ5對熱電偶，熱電偶接入數(shù)據(jù)采集儀。數(shù)據(jù)采集儀由Agilent 34970A作為核心，加2 3塊34901A插卡模塊組成。它共包括40 60路模擬量輸入接口，其中6 10路測量6 10根熱管的加熱直流電壓輸入，6 10路用來測量6 10根熱管的加熱直流電流，Γ6 路用來測量周圍環(huán)境空氣溫度。另外的用來測量6 10根熱管上的管壁溫度。數(shù)據(jù)采集儀通過RS-232C接口與計算機聯(lián)接通訊。計算機采用內(nèi)存256M，速度1.8GHz以上配置，采用 WINDOWS XP操作系統(tǒng)，與數(shù)據(jù)采集儀通過RS-232C串口通訊，專門開發(fā)的管外自然對流傳熱實驗數(shù)據(jù)處理及計算軟件裝載在計算機內(nèi)。實驗前，開啟硅整流電源，根據(jù)實驗需要調(diào)節(jié)各熱管的加熱電壓和加熱電流，當(dāng)經(jīng)過足夠長的時間后，熱管管壁溫度穩(wěn)定在一個數(shù)值，熱管管外為大空間空氣自然對流狀態(tài)。 根據(jù)實驗得到的加熱電壓、加熱電流，熱管表面溫度、環(huán)境空氣溫度及熱管幾何尺寸，應(yīng)用傳熱學(xué)基本原理可以計算得到熱管表面自然對流傳熱系數(shù)。根據(jù)相似原理，管外的努塞爾
數(shù)Ni!、格拉曉夫數(shù)Gr、普朗特數(shù)Pr，可以整理成如下形式的準則關(guān)聯(lián)式I。將
這一指數(shù)關(guān)系兩邊取對數(shù)，可以得到直線方程式In ^ =ln(7+Wn(C> Pr),根據(jù)6 10組熱
管式實驗裝置的實驗數(shù)據(jù)，分別計算努塞爾數(shù)Nu、格拉曉夫數(shù)Gr、普朗特數(shù)Pr，用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行直線擬合，求取系數(shù)C、η。實驗時，計算機在軟件的支持下，與數(shù)據(jù)采集儀34970Α進行實時通訊，實現(xiàn)對各根重力熱管的加熱電壓、加熱電流，以及壁溫和室內(nèi)環(huán)境空氣溫度的采集以及全部數(shù)據(jù)的處理分析，計算出自然對流換熱傳熱系數(shù)，擬合出實驗準則關(guān)聯(lián)式，繪出擬合曲線。本實驗裝置的6根豎直熱管在層流狀態(tài)下(Gr= IO4 ~ 3χ109 )空氣自然對流的實
驗結(jié)果為況尸56與傳熱學(xué)教科書上的況=0.59(Grlr)a2S相比，C的相對誤差2. 88%,你的相對誤差為2. 4%,誤差均在5%以下，效果很好。
權(quán)利要求
1.一種重力熱管式豎管外空氣自然對流傳熱實驗裝置，其特征在于包括硅整流直流電源(I)、熱管式實驗裝置(2)、數(shù)據(jù)采集儀(3)、計算機(4)、標(biāo)準電阻(5)，熱管式實驗裝置 (2)包括重力熱管(6)、熱電偶(7)、電阻絲(8)、絕緣管(9)和杜瓦瓶(10)，熱管式實驗裝置(2)為多個，重力熱管(6)冷凝段外壁設(shè)有多個熱電偶(7)，重力熱管(6)蒸發(fā)段外側(cè)依次設(shè)有電阻絲(8)、絕緣管(9)、杜瓦瓶(10)，硅整流直流電源(I)經(jīng)標(biāo)準電阻(5)與重力熱管實驗裝置(2)的電阻絲(8)相連接，數(shù)據(jù)采集儀(3)分別與硅整流直流電源(I)、計算機(4)和熱管式實驗裝置(2 )的熱電偶(7 )相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種重力熱管式豎管外空氣自然對流傳熱實驗裝置，其特征在于所述的重力熱管(6)的直徑D為20 200mm，重力熱管(6)的有效管長L為500 2000mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種重力熱管式豎管外空氣自然對流傳熱實驗裝置，其特征在于所述的熱管式實驗裝置(2)為6 10個。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種重力熱管式豎管外空氣自然對流傳熱實驗裝置，其特征在于所述的熱管式實驗裝置(2)并列放置的間距T為I 3米。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種重力熱管式豎管外空氣自然對流傳熱實驗裝置，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集儀(3)由Agilent 34970A主機和2 3塊34901A插卡模塊組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種重力熱管式豎管外空氣自然對流傳熱實驗裝置。它包括硅整流直流電源、熱管式實驗裝置、數(shù)據(jù)采集儀、計算機、標(biāo)準電阻，熱管式實驗裝置包括重力熱管、熱電偶、電阻絲、絕緣管和杜瓦瓶，熱管式實驗裝置為多個，重力熱管冷凝段外壁設(shè)有多個熱電偶，重力熱管蒸發(fā)段外側(cè)依次設(shè)有電阻絲、絕緣管、杜瓦瓶，硅整流直流電源經(jīng)標(biāo)準電阻與重力熱管實驗裝置的電阻絲相連接，數(shù)據(jù)采集儀分別與硅整流直流電源、計算機和熱管式實驗裝置的熱電偶相連接。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活方便；設(shè)備體積小、測量精度高；實驗數(shù)據(jù)可以實時在計算機上顯示、存儲、打印，實驗結(jié)果可以動態(tài)顯示在計算機屏幕上。
文檔編號G01N25/20GK102590267SQ20111035214
公開日2012年7月18日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者吳杰, 孫玉闊, 曾軼, 洪榮華, 肖玉麒, 陳健 申請人:浙江大學(xué)