本发明专利技术公开了一种大空间外管空气自然对流传热实验装置，可以灵活的研究外管空气自然对流传热规律。该装置包括三部分，一部分为外管悬挂架，一部分为控制采集分析仪，一部分为计算机。外管悬挂架呈长方体框架结构，加热外管用两根吊挂丝挂在两根悬挂横杆上，加热外管表面焊接热电偶，热电偶接控制采集分析仪。控制采集分析仪接计算机，实现实时检测、计算分析。本发明专利技术外管悬挂架结构简单，操作灵活方便；设备体积小、数量少、测量精度高；实验范围扩大；实验结果可以实时显示、存储、打印，是一套模块化、智能化、方便而实用的测试分析装置。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及传热学自然对流换热的测试和实验装置，尤其是一种大空间外管空气自然对流传热实验装置。
技术介绍
自然对流传热现象是自然界中常见的现象，也是工程界和科学界广泛应用的原理现象之一。研究外管在空气中自然对流的规律，具有十分重要的意义。传热界一些著名学者对于大空间水平放置的外管自然对流换热，已经成功地整理成实验关联式，其应用相似理论进行实验研究的方法是高等工科院校教学实验环节必不可少的重要内容。对于外掠圆管的对流传热教学实验装置，许多大学均采用自制设备来完成。如清华大学、天津大学和北京石油大学等院校在教学实验中，利用相似原理，在大空间内水平吊挂几何相似加热管群，吊挂方式不变，并通过多种测量仪器的组合，测量定性温度下的各种物性参数等，来研究水平管空气自然对流现象，确定实验条件下准则关联式。在互联网上，美国FloridaA&M University(佛罗里达农业与机械大学)介绍了在对流传热方面为学生开设的试验装置。Heat Transfer by NaturalConvection、Forced Convection on a Flat Disk教学实验是加热竖板在空气中自然对流传热和水平圆盘的强制对流实验，分别在固定的装置上，通过一系列电子仪表测量一些电热参数、温度和气体速度来确定对流传热系数以及实验关联式。由此可见，目前的自然对流传热学方面的教学实验设备还都处于传统的框架中，即管或板的放置形式都是固定的，不能方便而灵活地进行设计性试验；而且均通过繁琐的测量形式由诸多的电子仪表的组合来实现。这样的装置不具有开发设计性实验的功能，不能实现测量手段的模块化、智能化以及设备的一体化，在实验过程中耗时费力，大量时间精力用于简单而繁琐的仪表操作训练。
技术实现思路
本专利技术提供了一种大空间外管空气自然对流传热实验装置，可以灵活的研究外管空气自然对流传热规律。本专利技术提供的外管空气自然对流传热实验装置包括三部分，一部分为外管悬挂架，一部分为控制采集分析仪，一部分为计算机。外管悬挂架呈长方体框架结构，它包括两根悬挂横杆、其中一根横杆与两根可上下移动的活动立杆连接，另一根横杆与两根固定立杆连接，活动立杆插在立管中，插入端装紧固圈，固定立杆与立管用六根连接杆固定，构成框架，底部安装地角轮。加热外管用两根吊挂丝挂在两根悬挂横杆上，吊挂丝与加热外管连接处装绝缘隔热件。活动立杆上升高度为H，连接杆长度为L，加热外管悬挂角度α＝arctg(H/L)。加热外管的内部装电阻丝，电阻丝穿在绝缘管内，绝缘管通过支撑件固定在加热外管内，加热外管两端有端盖，端盖上有固定电阻丝的接头，接头接电源导线。采用可控硅控制加热电源。加热外管表面焊接热电偶。热电偶接控制采集分析仪。加热外管采用园管或螺旋管或翅片管，其外管当量直径d为20～40mm，管外径d与管长x之比为1∶30～35。悬挂架吊挂一组几何相似的加热管1～10根，每根外管表面均布2～3付测温热电偶。吊挂丝的长度为加热管外径d的15～20倍。加热管之间呈叉排形式吊挂，吊挂间距为管外径d的15～20倍。每根管的倾斜角α为0°～45°。控制采集分析仪由MCS51系列单片机为核心的智能控制器构成。包括8路模拟量输入接口，其中6路热电偶、1路热电阻和1路0～5V直流电压输入端；8路A/D转换器；6路开关量输出端；一个EEPROM存储器；1个RS485接口以及电源和看门狗；还有装载在MCS51单片机上的加热控制程序和数据采集程序。安装在管壁上的热电偶，两个或三个一组并联，采用并联电阻进行信号平均处理，成为信号T，通过放大器进入A/D转换器，测量室温热电阻Pt100通过放大器进入到A/D转换器，0～5V直流电压直接进入A/D转换器。MCS51系列单片机具有四个8位通用接口，这四个接口分别是P0～P3，8路A/D转换器输出端接到P0和P2上，6路开关量输出接到P3接口的P3.2～P3.7上，RS485接口接到P3.0和P3.1上，其余的器件包括EEPROM存储器接在P1接口上，6路开关量输出端通过光电耦合器分别连接到6个可控硅SCR1～SCR6上，采用调整导通占空比的控制信号，输出6路恒定功率W1～W6到加热外管。计算机部分采用内存128兆、速度400MHz以上配置，与RS485接口相接，数据处理程序装载在计算机内。计算机在这些专用软件的支持下，与控制采集分析仪实时通讯，实现对诸根管按照各自给定的加热功率加热、以及壁温和大空间空气温度的采集，全部数据的处理分析，确定出对流换热系数、准则关联式和拟合曲线。本专利技术与现有实验装置相比其有益的显著效果在如下方面1、外管悬挂架结构简单，操作灵活方便，吊挂的外管群组可以由若干根几何相似的加热管组成，这些加热管断面、表面粗糙程度都可以改变，又可以方便地改变吊挂角度，倾斜角α＝0°～45°；2、测控分析设备包括计算机在内只有2台，与传统的同类型实验装置相比，体积减小、数量减少，而且保证测量精度；3、实验范围扩大，当加入外部流动气体，可以进行温度场和速度场协同性测试分析的设计性试验研究。4、模块化硬件和通讯软件的控制采集分析仪，改变了传统的由诸多电子仪表组合测量自然对流传热过程的大量参数的模式。通过数据处理专用软件，可以实时处理测量数据，得到不同流态各种换热时刻水平管或倾斜管空气自然对流传热规律；得到自然对流传热非平衡状态和最终平衡状态下的准则关联式，以及拟合曲线。实验结果可以实时显示、存储、打印，是一套模块化、智能化、方便而实用的测试分析装置。附图说明图1是空气自然对流传热实验装置外管悬挂架示意图；图2是空气自然对流传热实验装置外管倾斜状态示意图；图3是空气自然对流传热实验装置外管内部结构示意图；图4是空气自然对流传热实验装置外管加热测控系统示意图；图5是空气自然对流传热实验装置中控制采集分析仪内部结构示意图；图6是加热控制程序框图；图7是数据采集程序框图；图8是数据处理程序框图。具体实施例方式如图1、图2、图3所示，外管空气自然对流传热实验装置中的外管悬挂架呈长方体框架结构，它包括两根悬挂横杆1、其中一根横杆与两根可上下移动的活动立杆2连接，另一根横杆与两根固定立杆2′连接，活动立杆插在立管4中，插入端装紧固圈3，固定立杆与立管用长短六根连接杆5固定，构成框架，底部安装地角轮10。加热外管8用两根吊挂丝6挂在两根悬挂横杆1上，吊挂丝与加热外管连接处装绝缘隔热件11。活动立杆上升高度为H，短连接杆5长度为L，加热外管悬挂角度α＝arctg(H/L)。加热外管的内部装电阻丝16，电阻丝穿在绝缘管15内，绝缘管通过支撑件14固定在加热外管内，加热外管两端有端盖13，端盖上有固定电阻丝的接头12，接头接电源导线9。采用可控硅控制加热电源。加热外管表面焊接热电偶7。热电偶接控制采集分析仪17。加热外管采用圆管，其外管当量直径d为20～40mm，管外径d与管长x之比为1∶30。悬挂架吊挂加热管6根，每根外管表面均布2付测温热电偶。管外直径在19～25mm，吊挂丝长度为400～500mm。加热管之间呈叉排形式吊挂，吊挂间距为管外径d的15～20倍。每根管的倾斜角α为0°。如图4所示，外管加热测控系统包括热电偶7、外管8、电源导线9、控制采集分析仪17、计算机本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种大空间外管空气自然对流传热实验装置，包括三部分，一部分为外管悬挂架，一部分为控制采集分析仪，一部分为计算机，外管悬挂架呈长方体框架结构，它包括：两根悬挂横杆、其中一根横杆与两根可上下移动的活动立杆连接，另一根横杆与两根固定立杆连接，活动立杆插在立管中，插入端装紧固圈，固定立杆与立管用六根连接杆固定，构成框架，底部安装地角轮。加热外管用两根吊挂丝挂在两根悬挂横杆上，吊挂丝与加热外管连接处装绝缘隔热件。活动立杆上升高度为Ｈ，连接杆长度为Ｌ，加热外管悬挂角度α＝ａｒｃｔｇ（Ｈ／Ｌ）。加热外管的内部装电阻丝，电阻丝穿在绝缘管内，绝缘管通过支撑件固定在加热外管内，加热外管两端有端盖，端盖上有固定电阻丝的接头，接头接电源导线。采用可控硅控制加热电源。加热外管表面焊接热电偶，热电偶接控制采集分析仪；加热外管采用圆 管或螺旋管或翅片管，其外管当量直径ｄ为２０～４０ｍｍ，管外径ｄ与管长ｘ之比为１∶３０～３５，悬挂架吊挂一组几何相似的加热管１～１０根，每根外管表面均布２～３付测温热电偶，吊挂丝的长度为加热管外径ｄ的１５～２０倍，加热管之间呈叉排形式吊挂，吊挂间距为管外径ｄ的１５～２０倍，每根管的倾斜角α为０°～４５°；控制采集分析仪由ＭＣＳ５１系列单片机为核心的智能控制器构成，它包括８路模拟量输入接口，其中６路热电偶、１路热电阻和１路０～５Ｖ直流电压输入端；８路Ａ／Ｄ转换器；６路开关 量输出端；一个ＥＥＰＲＯＭ存储器；１个ＲＳ４８５接口以及电源和看门狗；还有装载在ＭＣＳ５１单片机上的加热控制程序和数据采集程序；安装在管壁上的热电偶，两个或三个一组并联，采用并联电阻进行信号平均处理，成为信号Ｔ，通过放大器进入Ａ／Ｄ 转换器，测量室温热电阻Ｐｔ１００通过放大器进入到Ａ／Ｄ转换器，０～５Ｖ直流电压直接进入Ａ／Ｄ转换器；ＭＣＳ５１系列单片机具有四个８位通用接口，这四个接口分别是Ｐ↓［０］～Ｐ↓［３］，８路Ａ／Ｄ转换器输出端接到Ｐ↓［０］和Ｐ↓［２］上 ，６路开关量输出接到Ｐ↓［３］接口的Ｐ↓［３．２］～Ｐ↓［３．７］上，ＲＳ４８５接口接到Ｐ↓［３．０］和Ｐ↓［３．１］上，其余的器件包括ＥＥＰＲＯＭ存储器接在Ｐ↓［１］接口上，６路开关量输出端通过光电耦合器分别连接到６个可控硅ＳＣＲ１～ＳＣＲ６上，采用调整导通占空比控制信号的方式，输出６路恒定功率Ｗ１～Ｗ６到加热外管；计算机部分采用内存１２８兆、速度４００ＭＨｚ以...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：邢桂菊，丁梧林，赵治国，王贤，周丽雯，
申请(专利权)人：鞍山科技大学，
类型：发明
国别省市：21[中国|辽宁]
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