热能工程实验天津大学

热能工程实验机械工程学院热能与制冷工程系,第一章测量的基本知识,测量方法就是实现被测量与标准量比较的方法。测量方法的分类（按测量结果产生的方式分）：（1）直接测量法：使被测量直接与选用的标准量进行比较，或者预先标定好了的测量仪表进行测量，从而直接求得被测量数值的测量方法。,（2）间接测量法：通过直接测量与被测量有某种确定函数关系的其它各个变量，然后将所测得的数值代入函数关系进行计算，从而求得被测量数值的方法。（3）组合测量法：测量中使各个未知量以不同的组合形式出现（或改变测量条件以获得这种不同组合），根据直接测量或间接测量所获得的数据，通过解联立方程组以求得未知量的数值，这类测量称为组合测量。,第二节测量系统的组成及其功能,一、测量系统的组成测量系统由四个基本环节组成：传感器、变换器或变送器、传输通道和显示装置。,传感器,变换器,传输通道,显示装置,被测量,测量值,二、测量环节的功能,1、传感器（敏感元件）测量系统直接与被测对象发生联系的部分。理想敏感元件应满足的要求：敏感元件输入与输出之间应该有稳定的单值函数关系。敏感元件应该只对被测量的变化敏感，而对其它一切可能的输入信号不敏感。在测量过程中，敏感元件应该不干扰或尽量少干扰被测介质的状态。,2、变换器（变送器）传感器和显示装置中间的部分，它是将传感器输出的信号变换成显示装置易于接收的部件。对变换器的要求：性能稳定，精确度高，使信息损失最小。3、显示装置测量系统直接与观测者发生联系的部分显示装置的基本形式：模拟式显示元件数字式显示元件屏幕式显示元件,4、传输通道它是仪表各环节间输入、输出信号的连接部分。分为电线、光导纤维和管路等。,第三节测量误差与测量精度,一、测量误差的概念测定值与被测量真值之差称为测量的绝对误差，或简称测量误差。=xX0式中，测量误差；x测定值（例如仪表指示值）；X0被测量的真值。真值一般无法得到，所以用实际值X代替X0。,绝对误差的特点：绝对误差是有单位的量，其单位与测定值和实际值相同。绝对误差是有符号的量，其符号表示出测定值与实际值的大小关系。测定值与被测量实际值之间的偏离程度和方向通过绝对误差来体现。,示值的绝对误差与约定值之比值称为相对误差，其为无量纲数，以百分数表示。一般约定值m有如下几种取法：m取测量仪表的指示值x时，称为标称相对误差；m取测量的实际值X时，称为实际相对误差；m取仪表的满刻度值时，称为引用相对误差。,测量过程中存在测量误差是不可避免的，任何测量值只能近似反映被测量的真值。测量过程中无数随机因素的影响，使得即使在同一条件下对同一对象进行重复测量也不会得到完全相同的测量值。被测量总是要对敏感元件施加能量才能使测量系统给出测量值，这就意味着测量值并不能完全准确的反映被测参数的真值。,三、测量误差的分类,1系统误差在相同测量条件下，对同一被测量进行多次测量，误差的绝对值和符号或者保持不变，或按一定的规律变化，这类误差称为系统误差。恒值误差变值误差：累进性、周期性、按复杂规律变化,恒值,累进性,按复杂规律变化,周期性,系统误差的特征,2随机误差在相同测量条件下，对同一被测量进行多次测量，由于受到大量的、微小的随机因素的影响，测量误差的绝对值的大小和符号没有一定的规律，且无法简单估计，这类误差称为随机误差。,指测量者无法严格控制的因素,随机误差就个体而言是无规律的，不能通过实验的方法来消除。但在等精度条件下，只要测量次数足够多，那么就会发现：从总体来说随机误差服从一定的统计规律，可以从理论上来估计随机误差对测量结果的影响。,3粗大误差明显地歪曲了测量结果的误差称为粗大误差，大多是由于测量者粗心大意造成的。粗大误差一经发现，必须立即从测量数据中剔除。,三、测量精度,1准确度对同一被测量进行多次测量，测量值偏离被测量真值的程度称为测量的准确度。反映系统误差的影响，系统误差越小，准确度越高。,2精密度：对同一被测量进行多次测量，测量值重复一致的程度，或者说测量值分布的密集程度，称为测量的精密度。它反映随机误差的影响，随机误差越小，精密度越高。,3精确度精密度与准确度的综合指标称为精确度，或称精度。反映随机误差和系统误差的综合影响。精密度高的，准确度不一定高；准确度高的精密度不一定高；,精密度高,准确度高,精确度高,第四节测量仪表的基本技术指标,1量程范围仪表能够测量的最大输入量与最小输入量之间的范围称作仪表的量程范围，简称量程。在数值上等于仪表上限值与下限值的代数差之绝对值。,问：某温度计测量的最低温度为-20，最高温度为100，它的量程是多少？,120,2灵敏度,在稳定情况下，仪表输出变化量L与引起此变化的输入量的变化量Xb之比值，定义为仪表的灵敏度。用S表示，即式中，S仪表灵敏度L、Xb分别为输出与输入变化量,问：某测量范围是0100MPa的压力表，其满量程时指针转角为270度，它的灵敏度是多少？,2.7度/MPa,4.仪器基本误差仪表测量值中的最大示值绝对误差与仪表量程之比值称为：仪表的基本误差。,第二章测量误差分析与处理,第一节随机误差的分布规律,随机误差分布的性质有界性：在一定的测量条件下，测量的随机误差总是在一定的、相当窄的范围内变动，绝对值很大的误差出现的概率接近于零。单峰性：绝对值小的误差出现的概率大，绝对值大的误差出现的概率小，绝对值为零的误差出现的概率比任何其它数值的误差出现的概率都大。,对称性：绝对值相等而符号相反的随机误差出现的概率相同，其分布呈对称性。抵偿性：在等精度测量条件下，当测量次数不断增加而趋于无穷时，全部随机误差的算术平均值趋于零。,第二节直接测量误差分析与处理,子样平均值：代表由n个测定值x1,x2,xn组成的子样的散布中心子样方差：描述子样在其平均值附近散布程度,一、算术平均值原理,测定值子样的算术平均值是被测量真值的最佳估值。算术平均值的意义设x1、x2、，xn为n次测量所得值，则算术平均值,算术平均值的性质用算术平均值代替被测量的真值，则有式中vixi的剩余误差；xi第i个测量值，i=1，2，n。,（1）剩余误差的代数和等于零，即（2）剩余误差的平方和为最小，即,二、贝塞尔公式,因为真值X0为未知，所以必须用残差vi来表示，即此式称贝塞尔公式。,定义区间为测量结果的置信区间，也称为置信限为置信区间半长，也称为误差限概率为测量经过在置信区间内的置信概率。危险率：,一列等精度测量的结果可以表达为在一定的置信概率之下，以测定值子样平均值为中心，以置信区间半长为误差限的量测量结果子样平均值置信区间半长（置信概率P？）,例题1：,在等精度测量条件下对某透平机械的转速进行了20次测量，获得如下的一列测定值（单位：r/min）4753.14757.54752.74752.84752.14749.24750.64751.04753.94751.24750.34753.34752.14751.24752.34748.44752.54754.74650.04751.0试求该透平机转速（设测量结果的置信概率P95）。,四、测量结果的误差评价,标准误差将定义为测量列的标准误差将定义为子样平均值的标准误差测量列中随机误差不大于的概率为,若测量结果用单次测定值表示，误差限采用标准误差，则测量结果单次测定值x标准误差（P=68.3%）若测量结果用测定值子样平均值表示，误差限采用标准误差，则测量结果子样平均值标准误差（P=68.3%）,极限误差测量列标准误差的三倍，定义为测量列的极限误差子样平均值的极限误差与测量列极限误差的关系是,五、小子样误差分析与t分布,当测量次数很少时，子样平均值的标准误差很不准确，并且子样容量愈小，这种情况就愈严重。为了在未知的情况下，根据子样平均值估计被测量真值，就须考虑一个统计量。它的分布只取决于子样容量n，而与无关。这时需引入统计量t。,例3,用光学高温计测量某金属铸液的温度，得到如下5个测量数据（）：975，1005，988，993，987设金属铸液温度稳定，测温随机误差属于正态分布。试求铸液的实际温度（取P95）。,解：根据P95和v4，查表得tp2.78，则测量结果为,上例用t分布求取得到的置信温度区间是976.6,1003，若用正态分布求取相同置信概率下的置信温度区间是980.6,999.0，这要比由t分布求得得区间小。这表明，在测量次数较少的情况下，用正态分布计算误差限，往往会得到“太好”的结果，夸大了测量结果的精密度。因此，对小子样的误差分析，应采用t分布处理。,第三节间接测量误差分析与处理,在间接测量中，测量误差是各个测量值误差的函数。因此，研究间接测量的误差也就是研究函数误差。研究函数误差有下列三个基本内容：已知函数关系和各个测量值的误差，求函数即间接测量值的误差。已知函数关系和规定的函数总误差，要求分配各个测量值的误差。确定最佳的测量条件，即使函数误差达到最小值时的测量条件。,一、误差传布原理,结论：间接测量值的最佳估计值可以由与其有关的各直接测量值的算术平均值代入函数关系式求得。结论：间接测量值的标准误差是各独立直接测量值的标准误差和函数对该直接测量值偏导数乘积的平方和的平方根。,第五节粗大误差,粗大误差是指不能用测量客观条件解释为合理的那些突出误差，它明显地歪曲了测量结果。含有粗大误差的测定值称为坏值，应予以剔除。,一、拉伊特准则,拉伊特准则(3准则)：如果测量列中某一测定值残差vi的绝对值大于该测量列标准误差的3倍,那么可认为该测量列中有粗大误差存在，且该测定值为坏值。坏值剔除后，应重新计算新测量列的算术平均值及标准误差，并再次进行检验看余下的数据中是否还含有坏值。,拉伊特准则是判定粗大误差存在的一种最简单的方法。拉伊特准则是在重复测量次数n趋于无穷大的前提下建立的，当n有限时，尤其是当n很小时（如n10），此准则就不可靠。,二、格拉布斯准则,对某一被测量进行多次等精度独立测量，获得一列测定值x1，x2，xn。为了检查测定值中是否含有粗大误差，将xi由小到大按顺序排列为,格拉布斯按照数理统计理论导出了统计量的分布，取定危险率a，可求得临界值g0(n,a)，而,这样，得到了判定粗大误差的格拉布斯准则：若测量列中最大测定值或最小测定值的残差有满足者，则可认为含有残差vi的测定值是坏值，因此该测定值按危险率a应该剔除。,用格拉布斯准则判定测量列中是否含有粗大误差的坏值时，选择不同的危险率可能得到不同的结果。危险率的含义是按本准则判定为异常数据，而实际上并不是，从而犯错误的概率。危险率就是误剔除的概率。,系统误差与随机误差在性质上是不同的，它的出现具有一定的规律性，不能像随机误差那样依靠统计的方法来处理，只能采取具体问题具体分析的方法，通过仔细的校验和精心的试验才能发现与消除。,第六节系统误差的分析与处理,一、系统误差的性质,恒值系统误差的存在，只影响测量结果的准确度，不影响测量的精密度参数。如果测定值子样容量足够大，含有恒值系统误差的测定值仍服从正态分布。,一、系统误差的性质,恒值系统误差的存在，只影响测量结果的准确度，不影响测量的精密度参数。如果测定值子样容量足够大，含有恒值系统误差的测定值仍服从正态分布。,变值系统误差的存在，不仅影响测量结果的准确度，而且会影响测量的精密度参数。,第三章温度测量,温度的宏观概念是建立在热平衡基础上的。任意两个冷热程度不同的物体相互接触，它们之间必然会发生热交换现象，热量要从温度高的物体传向温度低的物体，直到两物体之间的温度完全一致时，这种热传递现象才能停止。这也就是热力学第零定律所描述的，系统温度相等是建立热平衡的充要条件。,温度的微观概念表明：物体温度的高低标志着组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程度，即对其分子平均动能大小的一种量度。显然物体的物理化学特性与温度密切相关。,第三节热电偶温度计,热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、响应时间短等各种优点。,一、热电偶的测温原理,两种不同的导体（或半导体）A和B组成闭合回路，如下图所示。当A和B相接的两个接点温度T和T0不同时，则在回路中就会产生一个电势，这种现象叫做热电效应。由此效应所产生的电势，通常称为热电势，用符号EAB（T，T0）表示。,图中的闭合回路称为热电偶，导体A和B称为热电偶的热电极。热电偶的两个接点中，置于被测介质（温度为T）中的接点称为工作端或热端，温度为参考温度T0的一端称为参考端或冷端。热电偶产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。,工程上所使用的各种类型的热电偶均把E(t)和t的关系制成易于查找的表格形式，这种表格称为热电偶的分度表。,二、热电偶的基本定律,1均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路中，不论其截面和长度如何以及沿长度方向上各处的温度分布如何，都不能产生热电势。反之，如果回路中有热电势存在则材料必为非均质的。,这条规律还要求热电偶的两种材料必须各自都是均质的，否则会由于沿热电偶长度方向存在温度梯度而产生附加电势，从而因热电偶材料不均匀性引入误差。,2中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体两端温度相同，该导体的引入对热电偶回路的总电势没有影响。同理，热电偶回路中接入多种导体后，只要保证接入的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的热电势没有影响。,该定律表明热电偶回路中可接入各种仪表或连接导线。只要仪表或导线处于稳定的环境温度，原热电偶回路的热电势将不受接入仪表或导线的影响。该定律还表明热电偶的接点不仅可以焊接而成，也可以借用均质等温的导体加以连接。,3中间温度定律热电偶回路中，两接点温度分别为T、T0时的热电势，等于接点温度为T、TN和TN、T0的两支同性质热电偶的热电势的代数和。EAB(T,T0)=EAB(T,TN)+EAB(TN,T0),该定律说明当热电偶参比端温度t00时，只要能测得热电势E(t,t0)，且t0已知，仍可以采用热电偶分度表求得被测温度t值。,4.连接导体定律,在热电偶回路中，如果热电偶的电极材料A和B分别与连接导体A和B相连接，各有关接点温度为t，tn和t0，那么回路的总热电势等于热电偶两端处于t和tn温度条件下的热电势EAB(t,tn)与连接导线A和B两端处于tn和t0温度条件下的热电势EAB(tn,t0)的代数和。EABBA(t,tn,t0)=EAB(t,tn)+EAB(tn,t0),第三节电阻温度计,WZP2-240/A级3线300/150mmE(0-300)隔爆热电阻WZC-111/12*1000mmCu50铜热电阻WZPK2-103/B级6*515mm(0-300)铂热电阻,一、热电阻的特性,电阻温度系数：在某一温度间隔内，温度变化1时的电阻相对变化量，单位为1/。,二、常用热电阻元件,1铂热电阻特点：精度高，稳定性好，性能可靠。在氧化性的气氛中，甚至在高温下的物理化学性质都非常稳定。它易于提纯，复现性好，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔。与其他热电阻材料相比，有较高的电阻率。缺点：电阻温度系数较小，在还原性气氛中，特别是在高温下易被沾污变脆，价格较贵。,在2000范围内，铂的电阻温度关系为Rt=R01+At+Bt2+C(t100)t3在0650范围内，其关系为Rt=R0(1+At+Bt2)式中，A、B、C分度常数。,铂的纯度用百度电阻比W（100）表示，即W（100）=R100/R0式中，R100100时铂电阻值；R00时铂电阻值。W（100）越高，则其纯度越高。,2铜热电阻特点：它的电阻值与温度的关系是线性的，电阻温度系数也比较大，而且材料易提纯，价格比较便宜，但它的电阻率低，易于氧化。在50150范围内，铜的电阻温度关系为Rt=R0(1+t)式中，铜的电阻温度系数。,与金属热电阻相比，半导体热敏电阻具有如下优点：（1）具有较大的负电阻温度系数，约为(36)%，因此灵敏度比较高；（2）半导体材料的电阻率远比金属材料大得多，因此它的体积可做得非常小，同时热惯性就小并适合用于测量点温度与动态温度；（3）电阻值很大，故连接导线的电阻变化的影响可以忽略；（4）结构简单。,它的缺点是同种半导体热敏电阻的电阻温度特性分散性大，非线性严重，元件性能不稳定，因此互换性差，精度较低。,第四章湿度测量,第二节干湿球与露点法湿度检测,干湿球湿度计的基本原理为：当大气压力B和风速v不变时，利用被测空气相应于湿球温度下饱和水蒸气压力和干球温度下的水蒸气分压力之差，与干湿球温度之差之间存在的数量关系确定空气湿度。,其数量关系的数学表达式为：Pb,sPn=A(ws)B式中，Pb,s湿球温度下饱和水蒸气压力；Pn空气中水蒸气分压力；w、s分别为空气的干、湿球温度；A与风速有关的系数；B大气压力。,将上式代入前式，可得相对湿度计算公式为：根据w、s分别对应有确定的Pb、Pb,s值，所以根据干、湿球温度计的读数差，即可由上式确定被测空气的相对湿度。,一、普通干湿球温度计,它由两支相同的液体膨胀式温度计组成，一支为干球温度计，另一支为湿球温度计。干湿球温度计就是利用干湿球温度差及干球温度来测量空气相对湿度的。在测得干湿球温度后，可利用公式计算，也可以利用有关图表，查出相应的相对湿度值。,二、干湿球电信号传感器与温度计,为了能自动显示空气的相对湿度和远距离传送湿度信号，采用电动干湿球温度计。它的干湿球是用金属电阻（镍电阻）代替膨胀式温度计，并设置一个微型轴流风机，以便在热电阻周围造成2.5m/s的风速，提高测量精度。,airin,airout,干球热电阻,湿球热电阻,第三节氯化锂电阻式湿度计,某些盐类放在空气中，其含湿量与空气的相对湿度有关；而含湿量大小又引起本身电阻的变化。因此可以通过这种传感器将空气相对湿度转换为其电阻值的测量。这种方法称为吸湿法湿度测量。,氯化锂是一种在大气中不分解、不挥发，也不变质而具有稳定的离子型无机盐类。其吸湿量与空气相对湿度成一定函数关系，随着空气相对湿度的增减变化，氯化锂吸湿量也随之变化。当氯化锂溶液吸收水汽后，使导电的离子数增加，因此导致电阻的降低；反之，则使电阻增加。氯化锂电阻湿度计的传感器就是根据这一原理工作的。,氯化锂传感器的测湿范围与所涂氯化锂浓度及其它成分有关。采用某一浓度制作的元件在其有效的感湿范围内，其电阻值随周围空气相对湿度的变化符合指数关系。当湿度低于其有效的感湿范围时，其阻值迅速增加，趋于无限大；而当高于该范围时，其阻值变得非常小，乃至趋于零。,每一传感器的测量范围较窄，故应按照测量范围的要求，选用相应的量程。为扩大测量范围，可采用多片组合传感器。,第五章压力测量,第二节液柱式压力计,利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理，通过液柱高度来反映被测压力的大小优点：结构简单，使用、维修方便，有相当高的准确度，在本专业中应用很广泛缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及读数不方便，信号不能远传,一、U形管压力计,P=gh+Bp=PB=gh,提高工作液密度将增加压力的测量范围，但灵敏度要降低。,二、单管压力计,由于U形管压力计需两次读取液面高度，为使用方便，设计出一次读取液面高度的单管压力计。,因则故由于Dd，所以P=gh1,三、斜管微压计,主要用于测量微小压力、负压和压差，它将单管液柱压力计的测量管倾斜放置，这样可以提高灵敏度，减少读数相对误差。,第三节弹性式压力计,用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压力测量仪表称为弹性式压力计。弹性元件受压后产生的形变输出（力或位移），可以通过传动机构直接带动指针指示压力（或压差），也可以通过某种电气元件组成变送器，实现压力（或压差）信号的远传。,一、弹性元件及其特性,弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形大小与被测压力成正比关系。,第五节压力检测仪表的选择与校验,一、压力检测仪表的选择1.仪表量程的选择被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的3/4被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的1/3优先满足最大工作压力条件,流量测量,流量是流体在单位时间内通过管道或设备某横截面处的数量。质量流量：是单位时间内通过的流体质量，用M表示，单位为kg/s。重量流量：是单位时间内通过的流体重量，用w表示，单位为N/s。体积流量：是单位时间内通过的流体体积，用Q表示，单位为m3/s。,流量有瞬时流量和累积流量之分。所谓瞬时流量，是指在单位时间内流过管道或明渠某一截面的流体的量。所谓累积流量，是指在某一时间间隔内流体通过的总量。该总量可以用在该段时间间隔内的瞬时流量对时间的积分而得到，所以也叫积分流量。累积流量除以流体流过的时间间隔，即为平均流量。,第一节差压流量计,差压式流量测量方法，是根据伯努利方程提供的基本原理，通过测量流体差压信号来反映流体流量的测量方法。,一、差压流量计的组成,节流件和取压装置,功能是将流量信号转换为差压信号,功能是将节流装置前后的压力信号送至显示仪器,显示压差信号或直接显示被测流量,二、节流件的工作原理,节流现象,标准孔板,节流装置的作用在于造成流束的局部收缩，从而产生压差。,流束收缩,静压差P的产生,六、标准节流装置,1.标准节流件（1）标准孔板（2）标准喷嘴,（3）椭圆喷嘴,2.标准取压装置标准孔板：角接取压、法兰取压标准喷嘴：角接取压,第二节转子流量计,一、概述转子流量计具有结构简单、使用方便、价格便宜、量程比大、刻度均匀、直观性好等特点，可测量各种液体和气体的体积流量，并将所测得的流量信号就地显示或变成标准的电信号或气信号远距离传送。,转子流量计主要由转子（浮子）、锥形管及支撑连接部分组成。,二、转子流量计的工作原理,重力浮力压差力,按转子的高度可以刻度流体的流量,三、容积式流量计,1.椭圆齿轮流量计可就地显示被测液体瞬时流量及体积总量；可将流量信号转换为标准电信号远传至二次仪表,啮合十分密切的椭圆形齿轮,流速测量,第一节毕托管,可测量被测流体的压力和差压，或间接测量其流速可测量流体的流速分布以及流体的平均流速若被测流体及其截面确定，可测量流体的体积流量或质量流量,一、毕托管的工作原理,P0,P,全压,静压,动压,实际用来测量总压和静压的开孔是位于不同的位置，并且位于静压孔附近的流体受到扰动，所以必须根据毕托管的形状、结构、几何尺寸等因素的不同进行修正,毕托管速度校正系数,S型：0.830.87标准型：0.96,（二）测点选择,若在测量位置上流体流动已经达到典型的紊流速度分布，则测出管道中心流速，按照一定公式或图标便可求得流体平均速度。若管道内流体没有达到充分发展的紊流时，应在截面上多测几点的流速，以便求得平均速度。,中间矩形法：将管道截面分成若干个面积相等的小截面，测点选择在小截面的某一点上，以该点的流速作为小截面的平均流速，再以各小截面的平均流速的平均值作为管道内流体的平均速度。,圆形管道：将管道截面分成若干个面积相等的圆环（中间是圆），再将每个圆环分成两个等面积圆环，测点选在面积等分线上。,矩形管道：把截面分成其数量与测点数相同的等面积矩形测区，使每个面积的长宽比为12，并将测点布置在各等面积测区的矩心上。,第二节热线风速仪,散热率法测量流速的原理，是将发热的测速传感器置于被测流体中，利用发热的测速传感器的散热率与流体流速成比例的特点，通过测定传感器的散热率来获得流体的流速。,热线产生的热量,热线散失的热量,热线的热平衡,流体速度是流过热线的电流和热线电阻（热线温度）的函数,1.恒流型热线风速仪如果在热线工作过程中，人为地用一恒值电流对热线加热，由于流体对热线对流冷却，且冷却能力随着流速的增大而加强。当流速呈稳态时，则可根据热线电阻值的大小确定流体的速度。,电路简单,2.恒温型热线风速仪如果在热线工作过程中，始终保持热线的温度不变，则可通过测得流经热线的电流值来确定流体的速度。,目录,常规传热学实验研究,第一节导热实验研究一、导热实验研究的主要内容：测定导热物体在特定工况的温度场或热流测定物质的热物性参数（导热系数与导温系数）二、实验测定物质热物性参数的基本原理基本原理：实验求解导热方程的反问题稳态问题：测量温度与空间坐标间的关系，采用稳态模型的分析解，求解物体的导热系数。非稳态问题：测量特定位置处温度与时间的关系，利用非稳态模型的分析解，求解物体的导热系数。,常规传热学实验研究,对于一维稳态导热问题：（1）其边界条件为：（2）热流解为：利用实验求解导热系数需满足（1）、（2）式要求三、流体的导热系数测量流体导热实验中，可能存在对流换热与辐射换热，且很难消除。应将自然对流与辐射换热的影响降低到最低程度。,常规传热学实验研究,为降低自然对流强度，流体试样放置方式应为：热面向上，冷面向下，确保流体试件的温度梯度与重力加速度方向相反。流体试件的冷、热面温差不应过大。流体试件的厚度不应过大。有文献指出：流体试样为气体时，气体层厚度的选取与气体的稀薄程度有关。稠密的气体可以看做与盛装气体的容器壁面紧密粘附，容器壁温等于气体温度。当气体稀薄后，气体与容器壁的相互作用变弱，容器壁的温度与气体温度不同，当气体层厚度与气体分子自由程长度可比拟时。辐射换热，采用计算的方法消除辐射换热的影响。选择尽可能小的试件容器壁面发射率。,常规传热学实验研究,四、瞬态法理论依据：非稳态导热理论模型的分析解。实验方法：由实验测出温度与时间的相互关系依据分解解反求出导热系数。基本要求：实验模型与理论模式的初始条件一致。实验模型边界条件随时间的变化规律与理论模型一致。结论：如何保证实验模型满足理论模型的要求？如何准确测量理论模型中的相关参数？设计传热实验方案的任务,常规传热学实验研究,第二节对流换热实验研究一、对流换热实验研究内容通过实验求解对流换热系数（努谢尔特数）或温度分布规律。由于对流换热与流动问题密切相关，实验研究中常与流动规律研究相结合。两种基本测量方法：1、稳态法。测量时间充分，实验数据有较高的可信度。2、瞬态法。测量时间少，运行费用低。二、对流换热系数,三、关于平均换热系数对于一维问题：四、关于定性温度1.流体温度当为常数时：,常规传热学实验研究,实际测量中需测量流体温度与速度沿进、出口截面的分布，一般采用混合室，并在混合室外包裹保温材料。可以认为混合室中的流体温度为所处截面的流体平均温度。2、计算流体进、出口截面温度的平均值A、B、其中：3、壁面温度当换热面温度不均匀时，需对换热面温度分布进行测量，若换热面温,常规传热学实验研究,度测点均匀分布时：若温度测点非均匀分布，求面积加权平均值：如果壁温是一维分布，则有：4、流体与壁面的平均温度5、相变换热均以其饱和温度作为定性温度。,常规传热学实验研究,五、关于沸腾换热两种不同的沸腾换热系数定义：1、2、在饱和沸腾时，上述两种定义没有区别。当过冷沸腾时，两种有较大的区别。1定义方式：虽然介质在整个空间没有沸腾，但在换热面上已达沸腾状态，换热表面定义的对流换热系数中，流体的温度采用饱和温度。2定义：过冷沸腾符合一般对流换热习惯定义，流体温度对过冷沸腾换热有一定影响。,常规传热学实验研究,第三节辐射换热实验一、辐射实验研究内容特点：非接触换热。内容：确定参与辐射物体的辐射特性，如黑度、发射率、吸收率等。常用仪器：辐射高温计、比色高温计、红外热相仪等。二、黑度的测量两种基本测量方法：稳态法、瞬态法。稳态法：量热计法、辐射法。量热计法：封闭空间辐射换热计算公式：,常规传热学实验研究,当采用非凹形物体1时，当物体表面积时，且，并上式可简化为：测量该系统的辐射换热热流和辐射表面温度，便可得出1物体表面的黑度。辐射法：通过一个吸收表面对两个温度相同的被测物体和人工黑体辐射能的吸收对比得出被测物体的表面黑度。特点：简单、易行；但误差较大，精度不高。如图为一封闭空腔，在热平衡时：表面3的热流为：当其他条件不变时，取决于。当时，可得：,常规传热学实验研究,其中：当几何关系一定，且不变时，为常数。将热电堆的热节点布置在上，而将冷节点布置在上，则热电堆的输出将与成正比：利用上式进行两次对比实验，即可求出被测表面的黑度。第一次实验时，表面采用人工黑体，此时热电堆的输出为：第二次实验时，表面为被测表面，其热电堆输出为因两次几何关系及温度均不变，为常数，于是可得出被测表面的黑度为：,常规传热学实验研究,第一节概述热流测量是传热学测量的基础。特点：热流测量的难度较大。第二节稳态与非稳态传热的加热方式稳态实验方法特点：测量时间充分，对测量设备的频响要求较低，测量结果精确，便于进行误差分析。但实验周期长，对于热容大的实验系统，从开始加热到热稳定的时间较长，运行费用较高，要求在全部测试周期内系统维持热稳定状态。非稳态实验方法特点：测试时间短，运行费用低，获取数据迅速。在高温、高速气流实验中降低了对材料性能的要求。但实验技术相对复杂，需要高频响传感器、数据采集系统、控制系统。,热流及其测量,瞬态实验属于动态参数测量，与测量设备和测量系统的动态特性相关。关于动态响应时间：传感器和仪表可以感受到的被测物理量变化，并可以即时输出的时间。如一初始温度为的热电偶突然置于温度为的气流中，热电偶结点的温度变化规律为：从图中可以看出：当热电偶的热结点置于气流中的时间等于一倍的时间常数时，热电偶热结点的过余温度只能达到实际气流过余温度的63.2%。理论上认为：只有当时间为无限长时，热电偶热结点的温度才能达到气流的温度。实际测量时，当测量时间为四倍时间常数时，测量误差已经小于1%。热电偶热结点的时间常数就是表征传感器响应时间长短的参数。,热流及其测量,对于测量周期性变化的信号，测量系统的输出相对于输入而言，总存在振幅的衰减和相位的滞后，并且振幅的衰减和相位的滞后随信号频率的变化而变化。这种变化关系称为测量系统的频率特性，或称之为频率响应。稳态实验对加热量本身的准确性要求较高，而非稳态实验对热量随时间的变化规律的要求较高。对瞬态实验结果的误差分析比较粗糙。第三节电加热及其测量电加热作为一种最常用的加热方式，具有以下特点：1、易于传输2、测量准确3、调节方便4、易于得到,热流及其测量,一、电加热器负载的选择电加热器一般设计成纯电阻负载。电流限制区：电压限制区：二、直接加热与间接加热直接加热：将试件本身作为加热器。间接加热：加热器与被研究表面隔开。如直接加热形式的试件，表面用薄镍铬钢带制作，既是被研究的发热表面，又是加热器。实验设备的设计很简单。但不宜将加热器的负载电阻设为很大。在一定加热功率下，负载电流很大，负载的端电压很低，容易使电源处于电流限制区，一般选用大额定电流、低额定电压的电源设备。在直接加热的表面上安置热电偶进行表面温度测量，热电偶处于带电状态，如不进行有效的处理，可能会危及仪表及数据采集系统的安全。,热流及其测量,二、直接加热与间接加热直接加热：将试件本身作为加热器。间接加热：加热器与被研究表面隔开。如直接加热形式的试件，表面用薄镍铬钢带制作，既是被研究的发热表面，又是加热器。实验设备的设计很简单。但不宜将加热器的负载电阻设为很大。在一定加热功率下，负载电流很大，负载的端电压很低，容易使电源处于电流限制区，一般选用大额定电流、低额定电压的电源设备。在直接加热的表面上安置热电偶进行表面温度测量，热电偶处于带电状态，如不进行有效的处理，可能会危及仪表及数据采集系统的安全。,热流及其测量,采用间接加热方式时，多采用加热丝、加热膜、硅碳棒作为加热器，可使负载电阻较大。此时，负载电流较小，电流传输方便。由于加热器与被研究表面分开，加热器的设计相对比较灵活。由于负载电阻较大，在一定电加热负荷下，电压可能较高，应注意安全。三、交流加热与直流加热交流加热：可以直接由供电的电网获取电能，用变压器可以方便地调节。直流加热：需将外供的交流电通过整流设备变为直流，设备昂贵。1、直接加热时，交、直流加热对热电偶测量的影响将热电偶直接焊在直接加热的电加热表面上，热电偶热结点上，除存在由于温度引起的热电势外，还会附加由于热电偶在电加热表面得到的跨步电压。如采用交流电加热，则附加的跨步电压为正弦波。为解决这一问题，可以在热电偶的输出端接一无源滤波器。,热流及其测量,热流及其测量,如采用直流加热，那么在电流一定时，这一附加电压为一固定值。在这种情况下，可采取正、反接线进行两次测量并取平均值的方法来消除附加电压。2、直接交流加热时，换热表面热惯性的作用外供交流电是一正弦波如果电加热器的电阻是常数，则电加热器中的电流也是正弦波：因此，电加热功率为：如果加热带较厚，热惯性较大，此时加热表面可近似作为常热流处理。但对于较薄的加热带，由于热惯性较小，就不能作为热热流处理，此时换热面的热流和温度都是周期性变化的。,热流及其测量,3、交流感应的影响交流感应会使所采集的信号发生畸变和产生噪声，大功率交流加热设备将是一个大的交流感应源。四、电加热模型的换热边界条件一般认为：电加热换热模型，其换热面表面满足恒热流边界条件。第四节、利用相变过程进行加热或冷却一、沸腾法注意事项：1、环腔中水的高度必须能淹没实验段。2、环腔外管必须有保温层以较少热损失。3、应对总加热量进行校核，总热量应等于分热量之和，误差不应超过5%。4、环腔中水沸腾产生的蒸汽在冷凝时，凝结水不应返回环腔。,热流及其测量,环腔中换热表面单位面积热流为：,热流及其测量,二、凝结法利用蒸汽凝结时放出的汽化潜热作为热源进行加热。如下图：实验管各段的热流密度为：,热流及其测量,注意事项：1、使用的蒸汽应略有过热，以免在进入实验设备之前就已经有冷凝水存在。2、要采取可靠的措施使各段的凝结水收集在本段的测量容器中，避免引起相互惨混。3、进行热量校核，总热量等于各分热量之和。,热流及其测量,三、利用相变加热（或冷却）时换热模型的边界条件热流密度为：或：如采用较薄的铜板，则有：恒壁温条件变化,热流及其测量,第五节单相介质加热换热量计算：注意事项：混合室直径大于实验管；混合室设置导热性能良好的扰流器；混合室外壳绝热,热流及其测量,第六节其他加热方式一、高温热燃气在燃烧室中燃油（气）燃烧产生高温燃气。特点：可获得大流量、高温气流，可实现控制；但实验设备复杂，多采用航空发动机的成品燃烧室改装。二、辐射加热,热流及其测量,三、激光加热激光加热特点：能量集中、易于控制、便于调节。基本加热方式：脉冲法、调制法。当一垂直于试样正面的均匀激光脉冲被试样表面的薄层物质吸收时，其背面的温度与时间的关系可表示为：当试样背面温度达到其最大值的一半时，级数解取第一项：,热流及其测量,实验设备：,热流及其测量,第七节热损失的处理研究表面得到的热流量小于加热器所提供的热流量。处理方法：采取各种措施减少实验中的热损失；对不可避免的热损失进行修正；一、减少热损失的措施实验装置设计,热流及其测量,用保温材料降低热损失制作绝热壁采用等温个人的方法，形成绝热壁。在主加热器的底部与侧面设置两个辅助加热器。,热流及其测量,对称加热适用于管形、球形实验装置,热流及其测量,热流及其测量,球形导热系数测定,真空隔热热屏隔热热屏表面热流，增加n层热屏后的热流为原热流的：二、热损失的修正通过实验整理出热损失为温差的关系，如自然对流中；也可绘制成曲线形式：,热流及其测量,三、端损失的处理沸腾实验中，由于实验管向电极传热，温度分布如图所示：,热流及其测量,第八节稳态热流计热阻式热流计。容易引起实验模型的畸变。薄膜热流计。常用于瞬态技术测量。基本原理：一、辅壁式热流计,热流及其测量,使用方法：将热流传感器粘结在被测热表面，或埋入被测物体。缺点：被测表面设置传感器后，改变了原来的传热状态。,热流及其测量,a模型：b模型：热阻：热阻：两种状态的热阻之比为干扰系数：C模型的数值计算结果,热流及其测量,热流计附近，温度分布有较大的畸变，必然引起热流畸变。,实验对比：,热流及其测量,粘结热流计后的实验结果变化。,二、镶嵌式热流计特点：结实、耐用。缺点：由于热流计的嵌入，严重破坏了被测表面材料的连续性，破坏了温度场的连续性。由于感受部的冷却，使感受部的温度低于周围被测壁温度，热流测量值偏高。,热流及其测量,传热传质模拟实验技术,第一节概述在一定条件下，传热过程与传质过程是彼此类似的。可以用传质过程进行传热过程的类比研究。以质量流模拟热流，以浓度场模拟温度场，以浓度梯度模拟温度梯度。特点：测量方便。将对温度的测量转化为对浓度的测量，不受测量时间的限制。边界条件易于实现。如绝热边界条件转化为绝质量流边界条件。,第二节热量传递与质量传递的类比控制方程：对于二维边界层：描述温度场的能量方程：,传热传质模拟实验技术,第二节传热传质模拟实验研究同样，对于二维边界层有：在双组元单相介质中，描述一个组元浓度场的质量方程为：类似地，对于二维边界层：施密特数：湍流施密特数：,传热传质模拟实验技术,实验表明：湍流施密特数是雷诺数与施密特数的函数。稳态无因次过余浓度场可表示为：第三节传热传质模拟实验研究绕流平板：流体边界上的换热方程为：对流传质的传质方程为：无因次化后得：,传热传质模拟实验技术,当两种现象给出的单值性条件彼此相似时，两个现象解的形式完全相同强迫对流换热中：当两类现象相似时：于是：如果用一个传质过程来模拟传热过程，且两过程的，则努谢尔特数与舍伍德数存在如下关系：,传热传质模拟实验技术,即：或：此时，传质系数与传热系数存在着简单的关系；只要在传质实验中得到准则方程：即可将上式直接转化为与其类似的换热过程中，得到：定义：当时，热边界中的无因次温度分布与浓度边界层中的无因次浓度分布相同。当时，,传热传质模拟实验技术,采用Colburn类比，将传热传质类比实验结果表示为：因此，当传热与传质过程类似时，则有：,传热传质模拟实验技术,第四节传热传质模拟实验的一些结果等壁温边界条件下平板的分析解和实验结果层流：或：湍流：或：,传热传质模拟实验技术,管内强迫对流传热与传质,传热传质模拟实验技术,跨流圆管的传热传质实验结果实验拟合结果：,传热传质模拟实验技术,第五节具有化学反应的传热传质模拟实验技术管排试件浸泡磷酸，当掺有氨的空气混合物流经管排时，空气中的氨与模型表面的磷酸相遇，迅速化合成磷酸氨，由于化合迅速，试件表面的氨浓度梯度为零。平均传质系数：,传热传质模拟实验技术,跨圆柱绕流局部传热系数实验结果,传热传质模拟实验技术,跨流管束的传质可视化结果,传热传质模拟实验技术,第六节奈升华传热传质模拟实验技术可由固体不经液态直接转化为气态。萘的化学分子式：分子量：128.174正常熔点：353.5K一、实验技术,传热传质模拟实验技术,实验开始前，测量平板沿板长方向的厚度，经风洞一段时间吹风后，再次测量沿板长方向的厚度，前后两次厚度差，即为该时间内萘的升华厚度。单位时间、单位面积的质量流密度为：局部传质系数或平均传质系数为：可将萘表面的萘蒸汽视为理想气体，于是有：,传热传质模拟实验技术,二、研究局部换热规律的萘升华模拟实验局部传质系数的定义为：,传热传质模拟实验技术,局部舍伍德数实验结果,传热传质模拟实验技术,局部舍伍德数分布,传热传质模拟实验技术,三、运动换热表面的萘升华模拟实验旋转盘端面冲击萘升华模拟实验装置,传热传质模拟实验技术,实验结果,传热传质模拟实验技术,四、自然对流换热的萘升华模拟实验主要问题：1、建立一个长时间可控、不受扰动的萘升华环境。2、设计一种不干扰萘升华环境的、精确的萘升华量测量手段。3、制作无物理、化学污染的光滑萘表面。,传热传质模拟实验技术,第七节无化学反应的双组元气体质量扩散的传热传质模拟实验技术气膜冷却：主气流为空气，冷却气流用掺有一定量二氧化碳的空气，传质实验中，用二氧化碳的浓度场模拟与其类似的传热实验中的温度场，用质量流模拟热流。有效浓度比：,传热传质模拟实验技术,气膜冷却实验装置,传热传质模拟实验技术,气膜冷却表面结构,传热传质模拟实验技术,各被测位置上采集的气体样品联至色谱仪进行分析，得出各测点的二氧化碳浓度。,实验结果,传热传质模拟实验技术,第八节电化学方法的传热传质模拟实验技术电解液中，正离子流向负极；负离子流向正极。根据法拉第定律：由于电场