传热学实验指导书1.doc

实验一 导热系数测定导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；当适当控制实验条件和实验参数使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的，如呈周期性的变化，变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响，与导热系数的大小有关。实验目的1. 用稳态法测量不良导体的导热系数；2. 学习用物体散热速率求热传导速率的实验方法；3. 学习温度传感器的应用方法。实验仪器FD-TC-B型导热系数测定仪装置如下图所示,它由电加热器、铜加热盘,样品圆盘,铜散热盘、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成。 FD-TC-B 导热系数测定仪装置图实验原理1898年C.H.Lees首先使用平板法测量不良导体的导热系数，这是一种稳态法，在实验中，将样品制成平板状，其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触，下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿着上下方向垂直传递，横向由侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同。设稳态时，样品的上下平面温度分别为、，根据傅立叶传导方程，在时间内通过样品的热量满足下式： (1)式中为样品的导热系数，为样品的厚度，为样品的平面面积，实验中样品为圆盘状，设圆盘样品的直径为,则由（1）式得： (2) 铜散热盘固定于底座的三个支架上，借助底座内的风扇以达到稳定有效的散热。在散热盘上安放面积相同的圆盘样品,样品上放置一个圆盘状加热盘，其面积也与样品的面积相同，加热盘由单片机控制，可设定其温度。当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度和不变，这时可以认为加热盘通过样品传递的热流量与散热盘向周围环境散热量相等。因此可以通过散热盘在稳定温度时的散热速率来求出热流量。实验时，当测得稳态时的样品上下表面温度和后，将样品抽去，让加热盘与散热盘接触，当散热盘的温度上升到高于稳态时的值或者以上后，移开加热盘，让散热盘在电扇作用下冷却，记录散热盘温度随时间的下降情况，求出散热盘在时的冷却速率，则散热盘在时的散热速率为： (3)其中为散热盘的质量，为其比热容。在达到稳态的过程中，盘的上表面并未暴露在空气中，而物体冷却速率与其散热表面积成正比，因此需对稳态时铜盘的散热速率的表达式作面积修正： (4)其中为散热盘的半径，为其厚度。由（2）式和（4）式可得： (5)则样品的导热系数为： (6)散热盘比热容（紫铜）：C=385；散热盘质量：。实验方法与步骤(1) 取下固定螺丝，将样品放在加热盘与散热盘中间，样品要与加热盘、散热盘完全对准；上下绝热薄板要对准加热和散热盘。调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘接触良好，注意不宜过紧或过松，以免影响样品的厚度或使中间有空气隙；(2) 按图所示，插好加热盘的电源插头；再将2根连接线的一端与机壳相连，另一有传感器端插在加热盘和散热盘小孔中，要求传感器完全插入小孔中，并在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂，以确保传感器与加热盘和散热盘接触良好。在安放加热盘和散热盘时，还应注意使放置传感器的小孔上下对齐。（注意：加热盘和散热盘两个传感器要一一对应，不可互换。）；(3) 开启电源，左边表头首先显示“FDHC”，然后显示当时温度，当转换至“b = = =”时，可以设定控制温度。设置完成后按“确定”键，加热盘即开始加热。左边显示加热盘的当时温度，右边显示散热盘的当时温度；(4) 当加热盘的温度上升到设定温度值时，开始记录散热盘的温度，每隔一分钟记录一次，当在10min或更长的时间内加热盘和散热盘的温度值基本不变时，可以认为已经达到稳定状态了；(5) 按复位键停止加热，取走样品，调节三个螺栓使加热盘和散热盘接触良好，再设定温度到，加快散热盘的温度上升，使散热盘温度上升到高于稳态时的值左右即可；(6) 移去加热盘，让散热圆盘在风扇作用下冷却，每隔10秒记录一次散热盘的温度示值，由临近值的温度数据中计算冷却速率；(7) 根据测量得到的稳态时的温度值和，以及在温度时的冷却速率，由公式计算样品的导热系数。数据整理散热盘厚度（不同位置测量，单位：mm）散热盘直径（不同角度测量，单位：mm）样品厚度（不同位置测量，单位：mm）样品直径（不同角度测量，单位：mm）样品上表面的温度示值 ,样品下表面温度示值散热盘自然冷却时每隔10s的温度记录t/分析与结论1.样品的导热系数的理论值为多少？实验结果与理论值相差多少？2.造成误差的影响因素有那些？ 问题讨论1. 实验装置本身存在哪些问题？如何改进？2. 比较各种样品的导热系数值，指出其适用场合。实验二 强迫对流放热系数测定一、实验目的1、了解对流放热的实验研究方法；2、测定空气横向流过单管表面时的平均放热系数h，并将实验数据整理成准则方程式；3、学习测量风速、温度、热量的基本技能。二、实验原理根据相似理论流体受迫外掠物体时的放热系数h与流速、物体几何形状及尺寸、流体物性间的关系可以用下列准则方程式描述： Nu=f（Re，Pr）实验研究表明流体掠过横向单管表面时，一般可将上式整理成下列具体的指数形式， 式中：c、n、m均为常数，由实验确定，Num努谢尔特准则 Rem雷诺准则 Prm普朗特准则 上述准则式中：d实验管外经，作定型尺寸（m） u流体流过实验管外最窄处流速l流体导热系数（W/m K） a流体的导温系数（m2/s） n 流体运动粘度（m2/s）准则角码m表示用流体边界层 温度作为定性温度。鉴于实验中流体为空气，Prm=0.7，故准则式可以化成：本实验的任务在于确定c和n的数值，首先使空气流速一定，然后测定有关的数据，电流I，电压V，管壁温度、空气温度，微压计动压头h，至于a、u在实验中无法直接测得，可以通过计算求得，而物性参数可在有关书中查得，得到一组数据后，可得一组Re、Nu值，改变空气流速，又得到一组数据，再得一组Re、Nu值，改变几次空气流速，就可得到一系列的实验数据。三、实验设备 本对流实验在一实验风洞中进行，可使风洞主要由风洞本体、风机、实验桌、实验管及其加热器、电测温度计、倾斜式微压计、毕托管、电流表、电压表及调压变压器组成。 由于实验段前有两段整流，可使进入实验前的气流稳定。毕托管置于流速段，测速段截面较实验段小，以使流速提高，测量准确。风速电子调速调节。实验风洞中安装了一根实验管，管内装有电加热器作热源，管壁嵌有四支热电偶以测壁温。四、实验步骤1、将毕托管与微压计连接好，校正零点。连接热电偶与电控箱，再将加热器、电流表、电压表以及调压器线路连接好，指导教师检查确认无误后，准备启动风机。2、启动风机，让风机空载启动，然后根据需要，调节风量。3、在调压变压器指针位于零位时，合电闸加热实验管，根据需要调整变压器，使在某一热负荷下加热，并保持不变，使壁温达到稳定（壁温热电偶电势在三分钟内保持读书不变，即可以认为已达到稳定状态）后，开始记录电流、电压、空气进出口温度及微压计的读数。4、在一定热负荷下，通过调整风量来改变Re数的大小，因此保持调压变压器的输出电压不变，依次调节风机风量测量动压头，空气进出口温度以及电位差计的读数，即为不同风速下，在同一负荷时的实验数据。5、不同热负荷条件下的实验，仅需利用调压变压器改变电加热器功率、重复上述实验步骤即可。6、实验完毕后，先切断实验管电加热电源，待实验管冷却后再停止风机。五、实验数据的整理计算1、壁面平均放热系数h电加热器所产生的总热量F，除以对流方式由管壁传给空气外，还有一部分是以辐射方式传出去的，因此，对流放热量Fc为Fc = F - Fr = IV - Fr辐射换热量； 试管表面黑度；黑体辐射系数；管壁平均温度；管内空气流温度；A管表面积根据牛顿冷却公式，壁面平均对流放热系数为 2、空气流速的计算采用毕托管在测速段截面中心进行测量，由于实验风洞测速段分布均匀，因此不必进行截面速度不均匀的修正。若采用倾斜式微压计测得的动压为h，则由能量方程式： 而 式中：微压计水的密度； 空气的密度，根据空气的平均温度，可在书中查得。 h动压头，用液柱高度表示由上式计算所得的流速是测速截面处的流速，而准则式中的流速u是指流体流过试管最窄处截面的流速，由连续性方程：式中：A测测速处流道截面积50mm20mmA试放试管处流道截面积150mm50mmL实验管有效长度L=150mm d实验管外径d=16mm n实验管数n=1 u测测速处流体流速（m/s） u试实验管截面处流速（m/s）3、确定准则方程式将数据代入，得到准则数，即可在Num为纵坐标，以Rem为横坐标的常用对数坐标图上，得到一些实验点，然后用直线连起来，因，为直线的截距，n为直线的斜率，取直线上的两点 即可得出具体的准则方程式六、实验报告要求1、实验原理2、实验原始数据，数据整理3、作出图线44 4、误差分析实验三 固体表面辐射发射率的测定一、实验目的 用比较法定性地测量中温辐射时物体的黑度e二、原理概述有n个物体组成的辐射换热系统中，龙用净辐射法，可以求物体I的净换热量 式中：i面的净辐射换热量； 投射到i面的辐射热量； i面本身的辐射热量； i面的黑度； k面对i面的角系数； k面的有效辐射力； 与i面同温度下黑体辐射力； i面的吸收率； i面的面积。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他们表面上的温度均匀，因此净换热量公式（1）可以写成：因为 。又根据角系数的互换性则由于受体3与环境主要以自然对流方式换热，因此 式中：h表面传热系数 t33面物体的温度 tf环境温度由（2），（3）式可得：当热源1和黑体圆筒2的表面温度一致时，并考虑到，系统1、2、3是封闭系统，则 由此，（4）可以写成： 式中为StefenBoltzman常数，对不同待测物体a、b的黑度e为：，设，则：当b为黑体时，则（）可以写成三、实验装置实验装置简图如图所示热源腔体具有一个测温热电偶，传导腔体有两个热电偶，受热体有一个热电偶，它们都可以通过琴键转换开关来切换。四、实验方法和步骤本仪器用比较法定性的测定物体的黑度，具体方法是通过对三组加热器电压的调整（热源一组，传导体两组），使热源和传导体的测温点横定在同一温度上，然后分别将“待测”（受体为待测物体，具有原来的表面状态）和“黑体”（受体仍为待测物体，但表面熏黑）良种状态的受体在恒温条件下，测出受到辐射后的温度，就可按公式计算出待测物体的黑度。具体步骤如下：1、将热源腔体和受热体（使用具有原来表面状态的物体作为受体）紧靠传导体；2、接通电源，调整热源，传导左、传导右的调整旋钮， 电压参见实验报告。加热约40分钟左右，通过测温转换开关测试热源、传导左、传导右的温度，并根据测得的温度微调相应电压旋钮，使三点温度尽量一致。3、系统进入恒温后（各测温点基本接近，且在5分钟内各点温度波动小于3摄氏度），开始测试受体温度，当受体温度5分钟内的变化小于三摄氏度时，记下一组数据。待测受体实验结束。4、取下受体，将受体冷却后，用松脂（带有松脂的松木）或蜡烛将受体熏黑，然后重复上述实验，测得第二组数据。将两组数据代入公式即可得出待测物体的黑度e。五、注意事项1、热源几传导的温度不宜