第03讲热流.ppt

实验传热学 热流及热损失 概述 热流是传热学中重要的物理量 热流测量难度大 至今仍没有一个理想的成品热流计来测量固体表面热流 而在瞬态传热实验中 热流测量更加困难 目前 所有的热流均是算出来的 因此热流测量就成为了实验传热学特有的热门课题 本章主要内容 各种加热方式及热损失修正 稳态与非稳态传热 稳态传热实验 在整个实验的有效时间内 与过程有关的各参数与时间无关 优点 有充分的时间进行测量记录和观察 对测量设备的频响要求低 测量结果精确容易进行误差分析 缺点 实验周期长 费用高 不易维持热稳定 瞬态传热实验 在实验的有效时间内 与过程有关的某些参数将随时间变化 即传热过程是非稳态的 优点 运行时间短 费用低 消耗少 取得数据迅速 缺点 技术复杂 需要高频响的传感器 自动化的高速数采系统等 动态参数测量的简要介绍 所谓响应时间短的传感器和仪表 是指传感器和仪表对迅速变化的被测物理量能在短的时间内正确的感受到 并能即时地转变为一定的输出信号 下面以热电偶为例进一步解释响应时间的概念 初温为T0的热电偶突然置于Tf的气流中 热电偶热结点的温度按下式变化 将上式用图线表示 其横坐标为 则为 弛豫时间时间常数 动态参数测量的简要介绍 由图可见 当时间等于4倍的时间常数时 其测量误差已小于1 在瞬态实验测量中 这种特性具有重要意义 电加热及其测量 在传热实验中 采用电加热方式是最常见的加热方式 其主要有以下特点 易于传输测量准确调节方便容易得到 电加热及其测量 电加热器负载的选择 功率匹配问题如一变压器 输出额定电压220V 额定电流10A 则额定加热功率为2200W 这时要合理设计加热电阻 若R 1 则I 10A V 10V W 100W 若R 220 则V 220V I 1A W 220W 最佳电阻R V I 220 10 22 均未达到额定功率 电加热及其测量 直接加热间接加热 试件本身作为加热器 加热器与被研究的放热表面分开 配合喷涂技术 配合均热装置 电加热及其测量 交流加热与直流加热交流加热可直接取得电能 变压器方便调节但加热稳定性和热流均匀性受电网稳定性影响 而直流加热则需大功率可控硅整流设备或交直流发电机供电 虽加热稳定但设备昂贵 复杂 即便如此 在某些情况下 直流加热方式仍有其独特优势并成为常用的加热手段 但要注意负载和供电电源的关系 下面具体讨论两种加热手段的优缺点 交流加热与直流加热 直接加热时 交 直流加热对热电偶测量的影响如果把热电偶直接焊接在电加热表面上 这时在热电偶的热节点上除了存在由于温度引起的热电势外 还会附加由于热电偶在加热表面上得到的跨步电压 若采用交流加热 则跨步电压为一正弦波 从而严重影响测量结果 若采用直流加热 电流一定时附加电压也为定值 可采取正反接线两次测量并取平均值的办法来消除附加电压 交流加热与直流加热 直接交流加热时 换热表面热惯性的作用交流电压和电流的周期性导致了加热热流的周期性 若加热带较厚 热惯性较大 此时加热表面可近似作常热流处理 但对于薄板 由于热惯性小 换热表面热流和温度的周期变化是明显的 而瞬态实验正是利用了这种性质进行的 但在稳态实验中应尽量避免 交流加热与直流加热 集肤效应的影响 非均匀加热源 当交变电流通过导体时 电流将集中在导体表面流过 这种现象叫集肤效应 交流感应的影响 电磁屏蔽 电加热及其测量 电加热模型的换热边界条件一般地 均匀等厚的加热板加热单位长度上的加热量是不变的 因此电加热模型满足等热流边界条件 即q 常数 由于加热板的电阻是温度的函数R R0 1 TCR T 因此加热表面的温度场T不同 各处R不同 各处热量不同 所以要选TCR小的材料作加热板 可见 严格来讲 只有在保证等壁温的条件下 才能保证加热板表面等热流 电阻温度系数 相变加热 沸腾法 相变加热 测量热流时要注意以下几点 1 环腔中水的高度必须能淹没实验管 2 环腔外管必须有保温层减少热损失 3 应对总加热量进行校核 当误差大于5 时要检查原因 4 要保证水蒸汽冷凝后得到的冷凝水不要流回环腔中 以免影响对凝结水量的测量 相变加热 凝结法 相变加热 需要注意以下几点 1 根据实际情况计算蒸汽和凝结水的焓值 一般蒸汽略过热 以免进入实验设备前就有凝结水存在 2 采取可靠措施使各段的凝结水收集到本段的测量容器内 避免掺混 3 进行热量校核 相变加热 相变加热 或冷却 换热模型的边界条件一般情况下 流体在恒压相变时温度不变 可以近似认为换热表面为等壁温边界条件 但对流换热边界层的温度分布如图所示 这时热流密度为 相变加热 若平板采用薄铜板 则值较大 在一定的热流下 可见要保证等壁温 最好还要保证等热流 但是qw不可能沿板长均是相同的 所以 对相变时保持的等壁温边界条件要具体情况具体分析 单相介质加热 这是换热器实验中常用的加热方式 课题研究目标是 内管内表面与高温油的平均换热系数或传热系数 这儿着重讨论其加热方式的特点 单相介质加热 流体进出口的温度准确测量相当重要 因此 在进出口都装置了混合器 使工质混合均匀 温度一致 混合器的设计要注意三点 1 混合室的直径大于试验管的直径2 3倍 减速 时间充分 2 混合室内安装导热性能好的扰流器 如紫铜板制造的多孔板 3 混合室外壳保温绝热好 辐射加热 其特点是热传递不必借助任何介质 可将热量直接传给被加热表面 在涡轮盘类旋转件的加热中经常用到 这种加热方式的难度在于加热热流的测量或计算 离心力场会引起间隙中非绝热的情况 激光加热 1961年 日本学者为测量煤炭层的导温系数提出的 激光加热是瞬态实验中常用的办法 高温燃气加热 在需要高温工质的大型设备中 由于要求工质高温 大流量 因此可将燃油喷入燃烧室里 在空气流中燃烧来获得大流量和高温工质 并可控制掺入的冷气量来调节工质温度 这种燃烧室通常由航空发动机改造而来 设备比较复杂 热损失的处理 什么是热损失 热损失的处理方法 尽量减少 进行修正 未按规定的方向传递 而从非研究表面散失的热流 减少热损失的措施 用保温材料降低热损失 导热系数 0 12w m K 的材料 Aspen纳米绝热材料 其导热系数为0 012 0 015W mK 减少热损失的措施 制作绝热壁 减少热损失的措施 对称加热 减少热损失的措施 真空隔热 减少热损失的措施 适当放大实验段尺寸 热损失修正 在很多情况下 不能做到没有热损失或没有办法避免热损失时 就必须对实验结果进行热损失修正 修正的关键是分析热损失的影响因素 然后进行预备性热损失试验 确定热损失修正曲线或关系式 在正式的实验中 用热损失修正曲线 或关系式 去修正所得的实验结果 热损失修正 端损失的处理 稳态热流计 基本原理 Fourier导热定律结构形式 辅壁式 镶嵌式测量方法 用一已知导热系数和厚度的平板材料作为热流传感器 测量该平板两侧面的温度