传热实验报告

传 热 学实 验 指 导 书 与 报 告 工程热物理教研室传热学实验室 编班级： 姓名： 学号： 华北电力大学能源与动力工程学院目 录（一）非稳态（准稳态）法测材料的导热性能实验. . . . . . . . . . . . .2（二）强迫对流单管管外放热系数测定实验. . . . . . . . . . . . . . . .9（三）热管换热器实验. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18附：铜康铜热电偶温度与毫伏对照表实验一 非稳态（准稳态）法测材料的导热性能实验一实验目的1测量绝热材料（不良导体）的导热系数和比热、掌握其测试原理和方法；2掌握使用热电偶测量温差的方法。二实验装置（图2和图3）按上述理论及物理模型设计的实验装置如图2所示，说明如下：（1）试件试件尺寸为100mm100mm，共四块，尺寸完全相同，=1016mm。每块试件上下面要平齐，表面要平整。（2）加热器采用高电阻康铜箔平面加热器，康铜箔厚度仅为20m，加上保护箔的绝缘薄膜，总共只有 70m。其电阻值稳定，在0100范围内几乎不变。加热器的面积和试件的端面积相同，也是100100的正方形。两个加热器的电阻值应尽量相同，相差应在0.1%以内。（3）绝热层用导热系数比试件小的材料作绝热层，力求减少热量通过，使试件1。4与绝热层的接触面接近绝热。这样，可假定式（4）中的热量qc等于加热器发出热量的0.5倍。（4）热电偶利用热电偶测量试件2两面的温差及试件2、3接触面中心处的温生速率，热电偶由0.1的康铜丝制成。 实验时，将四个试件齐迭放在一起，分别在试件1和2及试件3和4之间放入加热器1和2，试件和加热器要对齐。热电偶的放置如图3，热电偶测温头要放在试件中心部位。放好绝热层后，适当加以压力，以保持各试件之间接触良好。三实验原理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t0，平板两面受恒定的热流密度qc均匀加热（见图1）。求任何瞬间沿平板厚度方向的温度分布t(x，)。导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件如下：图1 第二类边界条件无限大平板时, x=0处， 处， 方程的解为： （1）式中：时间(s) ；平板的导热系数(w/m)；平板的导温系数(m2/s)；= n=1，2，3，；= 傅立叶准则；初始温度()；沿x方向从端面向平板加热的恒定热流密度(w/m2)；随着时间的延长，数变大，式（1）中级数和项愈小。当0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式（1）变成： （2）由此可见，当F00.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是常数，并且到处相同。这种状态称为准稳态。在准态时，平板中心面x=0处的温度为：平板加热面x=处为： （3）此两面的温差为： 如已知qc和，再测出t，就可以由式（3）求出导热系数： （4）实际上，无限大平板是无法实现的，实验总是用有限尺寸的试件。一般可认为，试件的横向尺寸为厚度的6倍以上时，两侧散热试件中心的温度影响可以忽略不计。试件两端面中心处的温度差就等于无限大平板两端面的温度差。根据势平衡原理，在准态时，有下列关系：式中：为试件的横截面(m2)；为试件的比热(J/kg)；为试件的密度(kg/m3)；为准稳态时的温升速率(/s)；由上式可得比热： 实验时，以试件中心处为准。四实验步骤1记录试件的尺寸：面积F和厚度；2按图2和图3接好电源，接通稳压器，并将稳压器预热10分钟（注：此时开关K是打开的）。接好热点偶与电位差计及转换开关的导线；3校对电位差计的工作电流，然后，将测量转换开关拨至“1”测出试件在加热前的温度，此温度应等于室温。再将转换开关拨至“2”，测出试件两面的温差，此时，应指示为零热电势，测量出示值差最大不得超过0.004mv,即相应的初始温度差不得超过0.1；4接通加热器开关，给加热器通以恒定电流（试验过程中，电流不容许变化。此值事先经实验确定）。同时，启动秒表，每隔一分钟测读一个数值。齐数值时刻（1分，3分，5分）测“2”端热点势的毫伏数，偶数值时刻（2分，4分，6分），测“1”端热点势的毫伏数。这样，经过一段时间后（随所测材料而不同，一般为1020分钟），系统进入准状态，“2”端热点势的数值（即式（4）中的温差t）几乎保持不变。并计下加热器的电源值；5第一次实验结束，将加热器开关K切断，取下试件及加热器，用电扇将加热器吹凉，待其和室温平衡后才能继续作下一次实验。但试件不能连续做实验，必须经过四小时以上放置，使其冷却至与室温平衡后，才能再作下一次实验。6实验全部结束后，必须切断电源，一切恢复原状。五实验数据记录和处理室温： 加热器电流I： A加热器电压U： V试件截面尺寸F：0.00126 试件厚度 ：0.009 m试件材料密度=1200 /m3 热流密度 qc： w/分钟热电势数值 mv未知 1未知 20123456789101112131415161718192021求出：热流密度 w/ 准稳态时的温差（平均值） 准稳态时的温升速率 /小时然后，即可计算出试件的导热系数w/mk 和比热CJ/计算过程：实验二 强迫对流单管管外放热系数测定实验一实验目的1测定空气横向流过单圆管表面时的放热系数；2根据对受迫运动放热过程的相似分析，将实验数据整理成准则方程式；3通过相似原理的实际应用，加深对相似原理的了解；4学习用热电偶测量温度用电压电流测量功率及用比托管测流量的实验技术；5计算机在测试技术方面的应用。二实验装置图2表示空气横向流过单圆管表面时的放热实验装置。图2.单圆管表面横向强迫对流放热实验装置示意图 1.离心式风机 2.自动风机风门 3.软连接 4.毕托管 5.后测温点 6.后测静压点 7.紫铜管试件 8.前测静压点 9.前测温点 10.整流珊 11.进风喇叭口 12.角铁支架 13.实验台 14.毕托管差 压传感器 15.加热开关 16.加热调节 17.风门开关(上开下关) 18.风机开关 19.加热电流表 20.加热电压表 21.一十六位巡检仪 22.试验段阻力差压传感器实验装置主要由一简单的风洞和量热器组成。风洞是用有机玻璃制成的正方形流道尺寸为ab(mm)。为了避免涡流的影响，风道内表面持光滑。当风机启动后，室内空气经过吸入口2被吸入风洞内。吸入口做成双扭线形以保证进出口气流平稳并减少损失，并且使进口处气流速度分布均匀。在吸入口后连接入口段和工作段。在工作段中有被研究的圆管（同时也是量热器）、加热前流体的测温热电偶、加热后流体的测温热电偶。在工作段之后有一支测量流速的比托管、插板阀、引风机。插板阀用以调节流量。为减少风机振动对风洞内的速度场的影响，工作段之后的风道用亚麻布软管与风机相接。风洞内毕托管与差压变送器相连接后可用来测量流速。工作段前后的空气温度，即tf1、tfa，用热电偶来测量。图3为量热器简图。 图3 量热器简图1.电源线 2.压紧螺母 3.保护盖 4.固定板 5.绝热层 6. 绝热层 7.铜管 8.绝缘层 9.加热器量热器用铜管做成，管内有电加热器，用交流电加热。电热器所消耗的功率即是圆管表面所放出的热量。圆管表面温度tw用焊在管壁上的四对热电偶测量。电路及测量系统如图4所示：图4电路及测量系统示意图1.调压器 2. 量热器 3. 加热器 4.测气体温度热电偶 5. 测气表面度热电偶 6. 加热管剖面 7. 差压传感器 8.巡检仪 9. 比托管 10. 差压传感器三实验原理根据牛顿公式物体表面对流放热量Qc 可用下列计算： w （1）式中：圆管表面平均温度 实验段前后流体的平均温度 圆管表面积 ，：d、l分别为圆管的直径和长度 放热系数 因此 w/m2, （2）根据相似理论，强迫流动时放热现象的准则方程式为；根据实验研究可知，流体横向流过单圆管表面时，一般可将准则方程式整理成下列形式： （3）上式中定性温度为流体平均温度tf，定型尺寸为管子直径、流速采用流体过圆管时最窄处的流速。是考虑热流方向而附加的修正项。对于空气Pr常数，故准则方程式为： （4）式中常数和可由本实验确定。本实验是在空气被加热的情况下进行的。圆管内加热器所产生的热量Q是以对流换热 和辐射方式传出的。因此：圆管表面的辐射放热量可由下式计算： W （5）式中：为圆管表面黑度 =0.22绝对黑体的辐射系数 =5.67 分别为圆管表面和流体的平均绝对温度 K由以上分析可知，实验的中心问题是必须测量以下几个物理量：圆管放热量；管壁温度流体温度；管子直径，管子长度和空气流速。在不同工况下测量以上数值，将每一工况下值与值表示在对数坐标图上，如图一：用Y表示lgNuf，用X表示lgRef，每一对Ref及Nuf的值可以在图上确定一点，将这些点连成一条直线，此直线的方程可以表示为：图1.确定参数之间关系的图解法式中：为直线和横坐标之间夹角的正切故：值可以通过曲线上任一点处与的数值计算出来 因此：实验曲线可用下面方程来表示：四、实验步骤在熟悉实验装置后可把线路接好，调整好测量仪表，经教师检查许可后方可开始实验，实验步骤如下：1、先关闭插板阀，再合上风机马达的电源，使用风机在空载下起动，然后根据需要开启插板阀，以调节风量。待稳定后启用计算机数据采集系统。2、合上电加热器电源，调节输出电压（不能超过150伏）在某一定工况下加热。3、加热约15分钟后观察各热电偶的电势直到稳定为止，（壁面温度在3分钟内保持读数不变即认为到稳定）然后用计算机数据采集系统测量各热电偶的电势。4、保持加热器功率不变，调节插板阀改变风量至另一数值重复步骤3。5、实验中应注意以下几点：（1）正确调整使用比托管；（2）必须待风机起动后再合上加热器电源而实验结束时应先停止加热再停风机。（3）实验完毕应经教师检查同意后方可离去。五、实验结果的整理：整理实验结果时必须采用稳定状态下的数据。平均放热系数的数值可用下式计算： 式中：电加热器所消耗的功率 加热器中的电压降 加热器中的电流强度 及圆管的直径及长度 辐射放热量，按式（5）计算管壁的平均温度（用每一对热电偶所对应温度的平均值） 流体的平均温度 雷诺准则：中流速为风洞工作段截面上的平均流速。流体通过毕托管时，通过差压变送器测量出压差，用下式进行计算： 式中：差压变送器测量出压差，单位六实验记录1基本数据实验设备号管子直径= 0.022 管子长度= 0.24 圆管散热面积= 0.0452 0.1540.455=0.0555 m2Fb0.1550.085=0.013 m2比托管压力修正系数=1.37流量修正系数 所用热电偶种类2实验数据记录表工况电 压 电 流 40压差 管壁平均温度流体平均温度流体导热系数流体运动粘度123453实验数据整理表：工况加热量 圆管表面辐射放热量平均放热系数努谢尔数雷诺数123454根据实验数据做方程式：曲线图，并写出准则方程式。实验三 热管换热器实验一实验目的 1. 了解热管换热器实验台的工作原理； 2. 熟悉热管换热器实验台的使用方法； 3. 掌握热管换热器换热量Q和传热系数K的测量和计算方法；二实验台的结构及其工作原理热管换热器实验台的结构如下图所示。实验台由翅片管(整体绕制)、热段风道、冷段风道、冷段和热段风机、电加热器、工况调节旋钮、热电偶、比托管测动压、支架等组成。设备简图热段管中的电加热器使空气加热，热风经热段风道时，通过翅片管进行换热和传递，从而使冷段风道的空气温度升高。利用风道中的热电偶对冷、热段的进出口温度进行测量，利用比托管对冷、热段的出口风速进行测量，由万能信号输入巡检仪显示仪显示其数值，从而可以计算换热器的换热量Q和传热系数K。三实验台参数冷段出口内径：D=80mm；冷段翅片管处断面尺寸160mm170mm热段出口内径：D=80mm；热段翅片管处断面尺寸160mm170mm冷段传热表面参数：翅片管长160mm 钢管直径21mm 翅片直径40mm 翅片个数57个；翅片管数量 8根；传热面积：0.42m2热段传热表面参数：翅片管长160mm 钢管直径21mm 翅片直径40mm 翅片个数59个；翅片管数量 8根；传热面积：0.43m2加热功率 1500W比托管修正系数热端： 动压修正系数=0.845 流量修正系数 =0.925冷端： 动压修正系数 =0.943 流量修正系数 =0.980注：如对测数据要求较高，最好比托管修正系数应每年用风速仪进行校正。四实验步骤连接冷段和冷段热电偶；压差传感器与比托管的连接胶管；接通电源；将功率调节开关旋至最小位置(逆时针)，打开电加热器和风机开关开始工作；逐渐将功率调节开关加大；视温度要求设定工况；待工况稳定后(约20分钟后温差基本保持不变时)，开始采样测试；改变工况，重复上述步骤，测量另一种工况参数（不高于50）；实验结束后，先切断加热电源，5分钟后切断所有电源。五实验数据处理将实验测得的数据填入下表中：工况序号风 速冷、热段进出口温度冷段热段50V123平均90V123平均计算换热量、传热系数、热平衡误差：1. 工况冷段换热量 热段换热量 热平衡误差 传热 系数 式中 ，冷、热段出口平均风速 ；, 冷、热段出口断面积 ；, , , 冷、热段进出口风温 ；, 冷、热段出口空气密度 ；冷段传热面积 ； ；2. 工况 方法同上。 将上面数据整理所求的得两