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传热学实验指导书俞天兰 编湖南工业大学机械工程学院过程装备与控制工程专业教研室2006年9月19目录实验一 稳态球体法测定粒状材料导热系数1一、实验目的1二、实验原理1三、实验仪器与设备1四、实验步骤2实验二 非稳态（准稳态）法测量材料的导热性能实验3一、实验目的3二、实验原理3三、实验装置5四、实验步骤5五、注意事项6实验三 强迫对流表面传热系数的测定6一、实验目的6二、实验原理6三、实验设备8四、实验步骤9五、数据整理与计算10实验四 空气在水平管外自然对流时表面传热系数测定11一、实验目的11二、实验原理12三、实验装置13四、实验步骤13五、实验数据的整理14六、实验注意事项15实验五 中温法向辐射时物体黑度测定15一、实验目的15二、 实验原理15三、实验装置17四、实验方法和步骤18五、注意事项18实验一 稳态球体法测定粒状材料导热系数一、实验目的1.在稳定状态下，利用圆球法测定粒状材料的导热系数。2.掌握实验基本原理、实验装置结构，学会使用实验仪器与设备。3.对数据进行处理和误差分析。二、实验原理 两个直径不同的空心圆球，圆球壁很薄，并放在同一圆心位置，两球之间充满一定容量、需要测定的颗粒状材料。内球装有一个电加热器，产生热量Q,沿圆球表面法线方向通过颗粒状材料向外传递热量。假定内球壁面温度为 ，外球壁面温度为 ，且 ，球面各点温度场均是一维的，当温度不随时间变化，达到稳定状态时，根据傅里叶定律可得通过球壁的传热量为：求解上式并带入边界条件，可得：在热平衡时，认为传热量与电加热量相等 其中： 导热系数 Q热量(W) d1内球直径(m) d2外球直径(m) t1内球温度 t2外球温度 I电流(A) U电压(V)通过以上各式即可求出待测材料的导热系数。三、实验仪器与设备实验装置由两个很薄的空心圆球组成，内球直径d1=80mm，外球直径d2=160mm。内球内部装有电加热器，被测材料置于两同心球之间，热量通过被测材料传给外球，然后通过外球表面与空气之间的对流传给空气，内球表面均匀分布3对铜康铜热电偶，可测内球壁温 ，外球内表面也均匀分布3对铜康铜热电偶，测量外球壁温 。实验台面由圆球导热仪、冰瓶、电源开关、加热按钮、测试按钮、电源指示灯、加热指示灯、测试指示灯、SY821型转换开关、PZ158A型直流数字电压表、WYJ型可调式直流稳压电源、电压表、XMT606型显示、控制、变送智能仪表组成（如图1-1所示）。 图1-1 圆球导热仪体及测量系统四、实验步骤1.按图11接好转换开关、直流数字电压表、直流稳压电源、圆球导热仪。2.打开电源开关，此时电源指示灯亮。观察电压表的数值是否为220伏，按下加热按钮，此时加热指示灯亮。分别调节可调式直流稳压电源的稳压粗调和细调旋钮，使输出电压值为3040伏之间，并记下电压值和电流值。对圆球导热仪进行加热34个小时，使其达到稳定状态3.待圆球导热仪达到稳定后，按下直流数字电压表的200mv按钮，使其最大量程为200mv。按下测试按钮，将转换开关从标准，依次转至1、2、3、4、5处，分别读出直流数字电压表显示的数值。其中标准、1、2处的温度为内球壁温，3、4、5处的温度为外球壁温。每隔5分钟测量一次，测量34次，然后将最后一组数据取平均值。4.根据热电势值mv查阅铜康铜热电偶分度表，求得各点温度值。5.实验结束后，再次按下测试按钮、加热按钮，关闭电源开关。 实验二 非稳态（准稳态）法测量材料的导热性能实验一、实验目的1. 快速测量绝热材料的导热系数和比热。2. 掌握使用热电偶测量温差的方法。二、实验原理 图21 第二类边界条件无限大平板导热的物理模型本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。设平板厚度为2。初始温度为，平板两面受恒定的热流密度均匀加热（见图21）。求任何瞬间沿平板厚度方向的温度分布。平板中心面处和平板加热面处两面的温差为： =得出导热系数：式中，平板的导热系数， 沿x方向给平板加热的恒定热流密度， 平板的厚度， 两面的温差，根据热平衡原理，在准稳态有下列关系： 式中，平板的横截面积 试件材料的密度 试件材料的比热 准稳态时的温升速率由上式可求得比热为： 实验时， 以试件中心处为准。三、实验装置图22 实验装置简图图22为准稳态平板法测试装置图。利用四块表面平整，尺寸为完全相同的被测试件(材料为有机玻璃，其导热系数一般为0.1400.198)，每块试件的厚度为。将四块试件叠在一起并装入两个同样的高电阻康铜箔平面加热器，加热器面积和试件的相同。用导热系数比试件小得多的材料作绝缘层，力求减少通过它的热量，使试件1，4与绝缘层的接触面接近绝热。这样可假定等于加热器发出的热量的1/2，即。利用热电偶测量试件2两面的温差及2、3接触面中心处的温升速率。热电偶冷端放在冰瓶中，保持零度。四、实验步骤1. 按要求连接线路，接好热电偶与SY821型转换开关的导线及转换开关与PZ158A型直流数字电压表的连接。2. 开启直流稳压稳流电源开关，先将稳压调节按钮顺时针调节到最大，同时将稳流调节按钮均逆时针调到最小。接上所需负载，再顺时针调节稳流按钮使输出电流至所需稳定电流值，电流值一般在0.2A左右，以保证恒定电流加热试件。3. 启动秒表，每隔一分钟测量一次。经一段时间后（一般在10-20min）系统进入准稳态。待进入准稳态后记录数据，并记录电流、电压值。4. 实验完毕后，切断电源。五、注意事项1. 直流数字电压表使用前必须预热1小时（经剧烈条件变化或长期不用时预热时间在2-3小时）。在插上电源线前必须关闭电源开关，以免烧断保险丝。2. 在使用直流数字电压表，本实验一般采用200mV量程测量，注意不要用手触摸其中一个金属端子，并保证测量两端子的热平衡后在进行调零或测量。3必须把直流稳压稳流电源作为恒流源使用，电流一般在0.2A左右，加热功率在10W左右。4. 测量时一定按下测量按钮，以免带来较大误差。同时测量应先测加热面温度，然后旋转转换开关测量中心面温度，并要求复位。5. 实验要求一次成功，如中途失败，需待试件冷却至室温后才能进行第二次测量。 实验三 强迫对流表面传热系数的测定一、实验目的1.了解实验装置，熟悉空气流速及管壁温度的测量方法，掌握测试仪器、仪表的使用方法。2.测定空气横掠单管时的表面传热系数，掌握将实验数据整理成准则方程式的方法。3.通过对实验数据的综合整理，掌握强迫对流换热实验数据的处理及误差分析方法。二、实验原理根据牛顿冷却公式，壁面平均传热系数为：式中: 管壁平均温度， 流体的平均温度， 管壁的换热面积， 对流换热量，由相似原理，流体受迫外掠物体时的放热系数与流速物体几何形状及尺寸物性参数间的关系可用准则方程式描述： 研究表明，流体横向冲刷单管表面时，准则关联式可整理成指数形式： 下标m表示用空气膜平均温度作特征温度 又有特征数准则方程： 努塞尔（Nusself）准则数 雷诺（Reynolds）准则数 普朗特（Prandtl）准则数 表面传热系数 w/(m2k) 定性尺寸，取管外径 m 流体导热系数 w/(m) 流体导温系数 m2/s 流体运动粘度 m2/s 流体运动速度 m/s 实验中流体为空气，因而，0.7，准则式可简化成 本实验要测定空气横向掠过单管表面时的表面传热系数，我们通过测定流速，温度及物性参数的值来确定c,n的值，便可求得平均换热系数。因此，我们首先使流速一定，测定电流、电压、管壁温度、空气来流温度值，查出物性参数、的值，计算出，的值得到一组数据后，可计算出一组，的值，通过改变流速来改变值，重复测量便可得到一系列数据，在以、为纵、横坐标的双对数坐标系中描点，并用光滑的曲线连接各测点可得到一直线，直线方程如下形式：为截距，n为斜率，从而可确定c,n的值，知道c,n的值后，由准则式：可求出表面传热系数h。三、实验设备实验本体为一立式鼓风式风洞，仪器有：离心风机，直流电源，毕托管，微差压变送器，直流电位差计，试件（表面镀铬），水银温度计及热电偶等。空气经整流后进入风洞,气流稳定,因而用一个毕托管即可测定平均流速。管壁温度用几对热电偶测量取平均值，空气来流温度用热电偶测量。实验风洞测试系统如下图示：图3-1 实验台总体图 图3-2 控制箱操作面板四、实验步骤1. 连接毕托管与微压变送器，并校验零点值；2. 连接热电偶与电位差计，检查冰水混合物温度是否为零，将热电偶零端放入冰水混合物中；3. 连接试件与直流电源，让指导教师检查线路是否正确，而后进行下一步骤。4. 检查风机电路连接是否正确，启动风机，然后调节风机变频器到所需流速。风机变频器频率的范围在3050Hz之间，在3050Hz之间取5个频率来调节空气流速。5. 合试件电源开关，加热试件。加热试件时，先调节电流旋钮到最大，再调节电压旋钮1025V之间。做实验时当电压旋钮调节到10V时，风机变频器的频率应调节到30Hz，当电压旋钮调节到25V时，风机变频器的频率应调节到50Hz。6. 改变加热功率，同时相应改变风机风量可测出几组试验数据（加热量可以不变）。8. 实验完毕后，先切断实验管电源，待冷却后，再切断风机电源，停止试验。9. 仪器归零，归位。五、数据整理与计算1.计算流速根据不可压缩流体的伯努利方程，则 ：流体总压（pa） ：流体静压（pa）：流体密度（kg/m3）：流体流速（m/s）2.确定壁面平均放热系数电加热所产生的总热量 由牛顿冷却公式有 3.确定出准则方程式并作图将所测数据代入方程式中，求出准则数。在以Nu数为纵坐标，Re数为横坐标的双对数坐标系中，描出各试验点，然后用光滑的直线将各点连起来。因Nu和Re满足下列关系式 为截距，n为斜率。n及用最小二乘法计算，则 第i个测量点的横坐标的对数值 第i个测量点的纵坐标的对数值N总工况数通过计算可得准则方程式的具体形式。实验四 空气在水平管外自然对流时表面传热系数测定一、实验目的 1测定空气在水平管外自然对流时表面传热系数h，并根据相似原理，整理出准则方程式。 2掌握热电偶测温的方法与原理。 3了解电位差计的工作原理，并正确使用高精度电位差计和直流稳压电源。二、实验原理对实验用水平横管试件进行电加热，热量应是以对流和辐射两种方式散发的，所以对流换热量为总热量与辐射换热量之差。即： 总热量： Q=I*U辐射换热量：Qr=C0F()4()4对流换热量：Qc=F(twtf)由以上三式可得表面传热系数： = 试管表面黑度，试管表面镀铬抛光，取=0.25C0黑体的辐射系数，管壁平均温度（），根据平均热电势查出室内空气温度（），根据平均热电势查出F管表面积，m2定性温度取空气边界层平均温度 ，在书的附录中查得空气的导热系数，热膨胀系数（空气的热膨胀系数=），动力粘度和普朗特数Pr。运动粘度=（/），其中为空气的密度，可根据理想气体方程式(=P/（RgT）m ，Rg=287.1J/(KgK),P为当地大气压)求出。根据相似理论，对于自然对流换热，努赛尔数Nu是格拉晓夫数Gr、普朗特数Pr的函数，即：Nu=f(GrPr)可表示成： Nu=c(GrPr)n其中c、n是通过实验所确定的常数。为了确定上述关系式的具体形式，根据所测数据和计算结果求准则数：将四种试管管径的数据表示在坐标纸上得到以lg(Nu)为纵坐标，以lg(GrPr)为横坐标的一系列点，画一条直线，则大多数点落在这条直线上或周围，根据：则这条直线的斜率即为n，截距为lgc。可以得到准则方程的具体形式。三、实验装置实验装置有试验管（为降低辐射散热量的影响，试管表面镀铬抛光），放试验管的支撑架，转换开关盒等。测量仪表有电位差计，直流电源。试验管上有热电偶（4对）嵌入管壁，可反映出管壁的热电势；电位差计上的“未知”接线柱按极性和转换开关盒上的接线柱（红正黑负）相连，用于测量室内空气和管壁的热电势；直流电源可输入稳定的电压和电流，使加热功率保持恒定。 图4-1 实验系统简图四、实验步骤1 接好线路，调整直流电源，对试件加热，根据试件管径大小，加热功率可取为7-15W；2 稳定加热六小时后开始测管壁温度，记下数据；3 间隔半小时再记一次，如两组数据很接近，则可认为试管已平衡；4 把两组接近的数据取平均值，作为计算依据；5实验完毕后将直流电源调整回零位，切断电源。五、实验数据的整理1 已知数据：管径d1=80d2=60d3=40d4=20mm管长L1=800L2=800L3=800L4=800 黑度 =0.252 测试数据 管壁热电势：mv1，mv2，mvn 空气热电势：mv1、mv23整理数据：对于每种管径的试管，计算过程是一样的。根据所测热电势算出平均值，根据标定热电偶时拟合的公式计算出对应的温度，用同样的方法可求出空气的温度。计算加热器的热量,其I、V的值可直接从直流电源上读出。a、求每种管径的对流换热系数 =b、查出物性参数 定性温度取空气边界层平均温度，根据定性温度在教课书上查出空气的导热系数，热膨胀系数，动力粘度，和普朗特数Pr。c、计算每种管径的准则数 d、整理出准则方程式并作图 把求得的数据标在坐标轴上，可以得到以lg(Nu)为纵坐标，以lg(GrPr)为横坐标的一条直线，此直线的斜率为n，截距为lgc，n及lgc用最小二乘法计算，则 第i个测量点的横坐标的对数值 第i个测量点的纵坐标的对数值N总工况数可得准则方程 Nu=C(GrPr)n的具体形式。六、实验注意事项1由于加热功率的限制，一根试件能达到的葛拉晓夫数Gr是有限的，为了增大Gr范围，取四种管径的试管，在不同的加热功率下测量各自的壁温tw 、计算Gr、Pr及Nu，处理数据时在同一个坐标上进行。2对试管进行加热时，取一根比单管长度稍短的细管，缠上一层绝缘材料，再缠上电阻丝，电阻丝外面再缠上绝缘材料，两端套隔热板，将之塞入试管即可。3为减少辐射散热的影响，保持试件表面光洁，使试件黑度0.254试件和支架的连接处用绝热材料连结。实验五 中温法向辐射时物体黑度测定一、实验目的用比较法测量中温辐射时物体的黑度。二、 实验原理由n个物体组成的辐射换热系统中，利用净辐射法，可以求物体i的纯换热量Qnet.iQnet.i=Qabs.i-Qei =i-iEbiFi （1）式中: Qnet.ii面的净辐射换热量Qabs.ii面从其它表面吸收的热量Qeii面本身的辐射热量ii面的黑度Xkik面对i面的角系数Eeff.kk面的有效辐射力Ebii面为黑体时的辐射力ii面的吸收率Fii面面积Fkk面面积根据本实验的设备情况，可以认为:1 热源1、传导圆筒2为黑体。2 热源1、传导圆筒2、待测物体3（受体），三者表面上的温度均匀。（三者位置关系见实验装置简图）基于以上假设，公式（1）可写成：Qnet.3=3(Eb1F1X13+Eb2F2X23)-3Eb3F3在本装置中有：F1=F3,3=3，X32=X12,又根据角系数的互换性有F2X23=F3X32,则 q3=3(Eb1X13+Eb2X12)-3Eb3当热源1和黑体圆筒2的表面温度一致时，Eb1=Eb2,并考虑到体系1、2、3为封闭系统，则有：X13+X12=1,因此上式可写为:q3=3(Eb1-Eb3) (2)由于受体3和环境主要以自然对流方式换热，因此：q3=h3(t3-tf) (3)h3换热系数t3待测物体（受体）温度tf环境温度由（2）（3）式可得： （4） 式中b为波耳兹曼常数，其值为5.6710-8w/(m2.k4)由（4）式可得不同待测物体a、b的黑度为： 设 ，则 （5） 当b为黑体时，b=1,(5)式可写成 （6）三、实验装置1、热源 2、传导体 3、受体 4、