发动机燃烧传热综合实验

1、发动机燃烧传热综合实验实验指导书发动机传热实验室2006年3月实验一 二氧化碳P-V-T关系测定及临界状态观测实验Experiment of CO2一、实验目的1、解CO2临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识；2、加深对课堂所讲的有关工质的热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解；3、掌握CO2的p-v-T关系测定方法，学会用实验测定实际气体状态变化规律方法及技巧；4、学会活塞式压力计、恒温器等部分热工仪器的正确使用方法。二、实验内容本实验内容包括以下三个部分：1、测定CO2的p-v-T关系，在p-v图上画出低于临界温度（）、临界温度（）及高于临界温度（）的三条等温线，并与标

2、准实验曲线及理论计算值相比较，分析产生差异的原因；2、测定CO2在低于临界温度时（20、25及27）饱和温度与饱和压力的关系；3、观测临界现象1）临界状态附近气液两相分界模糊的现象；2）气液整体相变现象；3）测定CO2的、等临界参数，并将实验所得的值与由理想气体状态方程及范德瓦尔方程所得的理论值相比较，简述产生差异的原因。三、实验原理简单可压系统处于平衡状态时，其状态参数压力p、比容v、温度T之间存在着确定的关系，即状态方程为（1）或（2）当保持T不变时测定比容与压力的对应数值，可获得到等温线数据，从而可作出P-V图。在低于临界温度时，实际气体的等温线有气液相变的直线段，而理想气体的等温线是正

3、双曲线，任何时候也不会出现直线段。只有在临界温度以上，实际气体的等温线才逐渐接近理想气体的等温线。所以理想气体的理论不能解释实际气体的气液两相转变及临界状态。CO2的临界压力为，临界温度为。在低于临界温度时，等温线出现气液相变的直线段，如图1所示。是恰好能压缩得到液体CO2的最高温度。在临界点附近出现气液分界模糊的现象。在临界点温度以上的等温线具有斜率转折点，直到48.1才成为均匀的曲线（图中未标出）。1973年范德瓦尔首先对理想气体状态方程式提出了修正，他考虑了气体分子体积和分子之间的相互作用力的影响，提出如下和修正方程： （3）或写作 （4）范德瓦尔方程虽然也还不够完善，但它反映了物质气液

4、两相的性质及两相转变的连续性。本实验就是根据方程（2），采用定温实验的方法来测定CO2的p-v之间关系，从而得出CO2的p-v-T关系，并观测其临界现象。四、实验设备及数据测量1、整个实验装置由试验本体、活塞式压力计、及恒温器三大部分组成，如图2。实验设备相关参数见表1（注：有些设备参数可能与表中有不同，请学生自行记录）。表1设备规格仪器型号量程精度压力表校检器CJ-50160MPa标准压力表59-084340100Kgf/m21/6Kgf/m22、试验台本体如图3所示。3、实验中由压力台送来的压力油进入高压容器和玻璃杯上半部，迫使杯中水银进入预先装有CO2气体的承压玻璃管。CO2被压缩，其压

5、力和容积通过压力台上活塞杆的进退来调节，温度则由恒温器供给的水套里的水温来调节；4、实验工质CO2的压力由装在压力台上的压力表读出（若要提高精度考虑水银柱高度的修正）。5、工质温度则由插在恒温水套中的温度计读取。6、工质比容首先由承压玻璃管内CO2的高度来度量，而后根据承压玻璃管内径均匀、截面积不变等条件换算获得，这种方法称为质面比法。下面介绍测定承压玻璃管内CO2比容的质面比法：由于充入承压玻璃管内的CO2质量不便于测定，而玻璃管内径或截面积也不易准确测量，因而实验中采用间接方法来确定比容：认为CO2比容与其在承压玻璃管内的高度之间存在线性关系，具体作法示例如下：已知CO2液体在某一状态下的

6、比容值（可由表2获得）。例如：T=20、p=100atm时，v=0.00117m3/kg；1.高压容器 2.玻璃杯 3.压力油 4.水银 5.密封填料6.填料压盖 7.恒温水管 8.承压玻璃管 9.CO2空间 10.温度计图3二氧化碳p-v-T关系实验台本体结构图表2二氧化碳液体比容的部分数据（单位：m3/kg）压力（atm）温度（）0102030400.001069500.0010590.001147600.0010500.0011290.001276800.0010350.0011010.0012120.0014071000.0010220.0010860.0011700.001290测定

7、该实验台CO2在上述状态下的液柱高度，记为（m）；由比容的定义及（1），有 T=20、p=100atm时, （ m3/kg）（kg/ m2）则任意温度、任意压力下，CO2的比容为（m3/kg）式中为任意温度压力下二氧化碳液柱的高度, -任意温度压力下水银柱的高度； -承压玻璃管内径顶端刻度。五、具体实验步骤1、按照实验原理图装好实验设备，并开启实验本体上的日光灯；2、将蒸馏水注入恒温器内，注到水面离顶盖23为止。检查并接通电路，开动电动泵，使水循环流动；3、使用恒温器调节温度；1）转动电接点温度计顶端的帽形磁铁，调节凸轮示标，使其上端面与所要调定的温度要一致。调好后要将帽形磁铁用横向镙钉锁紧，

8、以防转动；2）视水温情况开关加热器，当水温未达到所要调定的温度时，恒温器指示灯亮；当指示灯灭时表明水温已达到所需设定的恒温；3）观察玻璃水套上的两个温度计，若二者读数相同，且恒温器的温度计与电接点温度计标定的温度一致（或基本一致）时，则可认为承压玻璃管内CO2的温度处于所标定的温度。4）当需要改变试验温度时，重复1）3）即可。4、加压前的准备1) 由于压力台的油缸容量比主容器的容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器充油，才能在压力表上显示压力读数。压力台抽油、充油的操作过程非常重要，若操作失误，则不仅加不上压力，还会损坏试验设备，所以务必严格按照操作步骤进行：2）关闭压力表及进入本体油路的两

9、个阀门，开启压力台的油杯进油阀；3）摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出，这时压力台油缸中就充满了油；4）先关闭油杯阀门，然后开启压力表，摇进螺杆，使压力表中的读数与二氧化碳空间中的压力相近后，再开启进入本体油路的阀门；5）摇进活塞螺杆，给本体充油，如此交替直到压力表有压力读数为止。6）再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体油路阀门是否开启，若均已稳定即可进行实验。7）由于压力较低时，实验本体中的水银柱液面还位于下面，无法读数，因此需要预先施加一定的压力，使得水银柱到达可读数的区域，一般压力大约在3540atm时即可读取水银液面的高度。5、实验中原始数据的记录1) 设备数据的记录（仪器的名

10、称、型号、规格、量程、精度）；2) 常规数据的记录（室温、大气压、实验环境等）；3) 实验相关的其它初始数据的记录；6、需测定的数据 （详见八）1) 测定低于临界温度时的定温线（），并记录下该温度下的饱和点数据；2) 测定、时饱和点数据；3) 测定临界温度t=31.1时的等温线及临界参数，并观察临界现象；4) 测定高于临界温度时的等温线（=50） 7、实验注意事项：1) 做各条定温线时，实验压力p100atm，实验温度t50；2) 一般情况下压力间隔可取为25atm，但在接近饱和状态及临界状态时，压力间隔应取得较小些，可取为0.5atm。在实际操作过程中，可参照标准实验曲线来具体确定。（在汽液

11、共存区，由于压力变化很小，这时可按水银柱位置的变化来适当取数据间隔。）3) 实验中读取水银柱液面高度h时要注意，应使视线与水银柱半圆形的液面中间平齐。4) 实验中要特别注意：加压与降压过程一定要缓慢进行，并请思考这是为什么？特别是降压过程必须严格操作规程，按照与加压相反的顺序，逐渐将压力降下去，操作中严格禁止违反操作规程。六、实验准备及预习要求预习要求：详细阅读本实验指导书，达到1）熟悉本实验目的及基本原理，清楚什么是质面比方法2）清楚实验的基本操作步骤3）清楚本实验要测定哪些参数七、实验数据测量及现象观测（一）测定低于临界温度时的定温线（）1、使用恒温器调定温度，并保持恒温2、压力记录从40

12、atm开始，当玻璃管内水银柱升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证定温条件，否则来不及平衡，读数不准； 3、按照适当的压力间隔取值，直到P=100atm；（注：在汽液共存区，由于压力变化很小，这时可按水银柱位置的变化来适当取数据间隔。）4、由于在时需要测定质面比，参照表2中二氧化碳液体比容的数据，测定相应压力下的所需要数据。5、注意加压后CO2的变化，特别注意饱和温度与饱和压力的对应关系，液化、汽化等现象。要将所测得的实验数据及观察到的现象一并填入实验报告中；（二）测定及时饱和温度与饱和压力的对应关系；（三）测定临界等温线及临界参数，并观察临界现象（31.1）1、依照上述（一）中所述方法测

13、定临界等温线，并在该曲线拐点处找出临界压力及临界比容，并将数据填入数据表中；2、临界现象观测：1）整体相变现象：在临界温度以下时的等温线测定实验中我们可以看到，相变表现为一个逐渐积累的渐变过程，需要一定的时间。然而在临界点时，由于汽化潜热等于0，饱和汽线与饱和液线合于一点，所以此时汽液的相互转变是个突变过程，当压力稍有变化时，汽、液以突变的形式相互转化。2）汽液两相模糊现象处于临界点时CO2具有共同参数（p，v，t），因而此时CO2气、液两相的差别消失。下面就用实验来证明这个结论。因为此时处于临界温度，如果按等温过程使CO2压缩或膨胀，那么管内什么现象也看不到的。现在我们按绝热过程来进行。首先

14、在压力等于76atm附近，突然降压，CO2状态点由等温线沿绝热线降到液相区，管内CO2出现了明显的液面。这就说明，如果这时管内的CO2是气体的话，那么这种气体离液相区很接近，可以说是接近液态的气体；当我们在膨胀之后，突然压缩CO2时，这个液面又立即消失了，这就告诉我们CO2液体离气相区也是非常近的，可以说是接近气态的液体。既然此时的CO2即接近气态又接近液态，所以只能处于临界点附近。即在临界点附近出现饱和汽、液两相分界不清的现象。这就是临界点附近饱和汽液模糊不清的现象。（四）测定高于临界温度的等温线（），将数据填入报告中。八、数据处理及思考题（一）数据处理及分析1、仿照标准实验曲线（图1），在

15、p-v图中绘出所测得和三条等温线；并在图中标出所测得的几个饱和点；2、将实验测得的等温线与图1所示的标准等温线相比较，分析二者间的差异及产生差异的原因；3、在p-T图中绘出饱和温度与饱和压力的对应关系；4、将实验测定的临界比容与按理想气体状态方程及范德瓦尔方程所得理论值进行比较，并分析差异的原因；（二）思考题1、实验中为什么要保持加压和降压过程缓慢进行？2、若要精确测出CO2的绝对压力，还应考虑装置中水银柱和油柱的高度，试写出考虑这两个因素后，CO2绝对压力的计算公式，并请简要绘出示意图。九、实验报告内容及格式1、实验目的2、实验内容3、实验装置4、实验原理（测试实验系统图）5、实验步骤6、实

16、验结果与分析（包括实验数据、处理图形、主要关系式和有关程序）7、思考题解析实验二平板法绝热材料导热系数测定Measuring thermal conductivity of adiabatic material in flat一、实验目的1、掌握平板法测定导热系数的原理和方法。巩固课堂上所学的关于稳定导热的概念和特点，测定非金属材料的导热系数。2、掌握和了解平板导热仪造成一维、单向稳定导热的方法。3、熟悉电加热方法及其热量的计算方法和测量方法。4、了解热电偶测温方法及本实验中所使用的测温仪表。二、实验原理根据傅立叶定律，如图一所示的一维平板稳定导热的计算公式为： （1）上式中热流W，F面积m2

17、,温差，L平板厚度m,导热系数w/m.如果我们用实验的方法测得平板高低温面上的温度 t 1 ,t2 ,通过平板的导热量，根据已知试件的几何参数F、L就可求得在平均温度为(t 1 +t2)/2状态下材料的导热系数。 （2）本实验中 , L在实验课给定，这就是平板法测定材料导热系数的原理。LQt1t2图1 平板测试示意图三、实验装置、测试仪器及实验方法上水套下水套均热板试 件 主加热器边加热器 底加热器低温面热电偶主边温差热电偶高温面热电偶主底温差热电偶进水进水出水出水实验装置本体如图二所示，由主加热器、环形边加热器、底加热器及上、下冷却水套等部件组成。加热器上均有用高导热系数材料（铜或银）制成的

18、均热板，已保证各截面上温度均匀，并能缩短稳定时间。在主边加热器之间装有两付极性反接的串联温差热电偶，以监视试件的端面导热。主、底加热器之间的温差热电偶是监视主加热器加热量的向下泄漏，以保证主加热器的加热量在热稳定状态下全部通过试件。上、下冷却水套的冷却水串连并与恒温水浴中的恒温水构成闭路循环，保证了系统的温度稳定。主加热器由直流稳压电源供电加热。边、底加热器由调压变压器供电加热。图2 实验装置示意图3.1测量系统加热量的测量是根据供电回路中电流、电压的测量值而确定的。W (3)I电流A,V电压降V测量电路如图3所示，电流的测量，为已知阻值的标准电阻，在实验中测得电压降，便可算得电流I,由于值很

19、小，属于毫伏级，又为直流，所以可用精确度很高的直流电位差计测量。3.2电压的测量由图3可知V:=100000:100,V=1000,由于的数值也属于毫伏级的，也可用直流电位差精确测量，测得，便可求得V。已知I和V后，便可根据公式（3）求得加热量Q。3.3温度的测量试件高低温面的温度t1及t2是用镍铬镍硅热电偶测量，测量热电偶电动势和的数值的指示仪表为HP万用表。主、边及主、底温差热电偶的输出端也直接由HP万用表读出。IV图 3 主加热器加热量测量原理图四、实验步骤1、由于本实验所需的热稳定试件较长，因此在课前已预先加热。学生在实验进行之前要根据实验设备仔细了解仪器的电路系统、测试系统和监控系统

20、的操作方法。2、 正HP万用表的精度。3、 次按下转换开关的主边、主底的按键检查主边、主底加热器之间的平衡情况，如不平衡，调整有关加热器供电线路中的微调旋钮，使其达到平衡。这时用HP万用表测量其电势值应该在0附近。4、 用数字万用表测量温度T1及T2。5、 过10分钟后，重复步骤2)-4)，如果测得的t1及t2的毫伏值与前一次步骤4)测得的数据相差不大于0.08毫伏时，即可认为已达到稳定状态，就可以测录有关数据。6、 用HP 万用表分别测出的值。7、 记录主加热器的电流电压，边、底加热器的电流及恒温水浴的水温。8、 根据计算所测试件的导热系数。9、 检查所有的测试数据和计算结果，确认自己这次实

21、验无误后，按顺序关闭主、边、底加热器的电源，但这时不要关闭恒温水浴的电源。10、 在计算机上填写实验报告，并回答报告中的问题。11、在完成报告，确认无误后，按提交实验报告按钮，系统将自动给出实验分数，完成此次实验。五、注意事项1、学生要按说明书。规定的操作程序进行实验。2、为保证实验设备的安全运行，实验中要注意检查冷却水路是否始终在正常工作。3、主加热器的加热电流不能超过1.5安培，边、底加热器的电流不能超过2安培。4、学生实验完毕后，必须将测量得到的温度毫伏值按表转换为温度值。六、书写实验报告并回答下列问题1、在采用主炉首先加热，边炉和底炉后加热的加热顺序，如果没有达到热稳定状态就进行测量，

22、这时获得的导热系数结果比真实值大还是小？为什么？2、本实验在测量过程中没有考虑有接触热阻的影响，请问由于接触热阻的存在，使得实际导热系数的测量结果比实际要大还是要小？为什么？3、本实验设备能不能用来测定金属材料的导热系数？为什么？4、主加热器用直流电源加热有那些优点？七、实验报告内容及格式1、实验目的 2、实验内容 3、实验装置 4、实验原理（测试实验系统图） 5、实验步骤6、实验结果与分析（包括实验数据、处理图形、主要关系式和有关程序）7、思考题解析实验三 高温气体温度的测量Temperature measurement of high temperature gas 一、实验目的1、实际使

23、用热电偶对高温空气的温度进行测量；2、了解用热电偶测量高温气体温度存在哪些误差及减小这些误差的方法；3、结合已经学过的传热学和测试技术知识，自行设计实验方案，提高测量精度。二、实验内容及基本原理高温气体温度的准确测量是热工领域里科研和生产中的一个技术难题。本实验台是根据热电偶测量温度的原理和测试技术课程中关于温度测量的相关知识而建立的。用裸露热电偶直接测量管道内温度比较高的透明气体温度时，由于热电偶与管壁之间存在辐射换热，使得所测温度与实际温度存在很大差别。设气体与热电偶之间的对流换热流为Q1，热电偶与管壁的辐射换热流与它自身的储热热流、导热的热流之和为Q2（），当Q1=Q2也即达到了所谓的热

24、平衡时，热电偶所指示的温度就是所测得的空气温度，它与气流的真实温度有很大差别。（1）通过对流换热，高温空气对热电偶测量端(节点)的加热热流为： (1)（2）热电偶测量端与周围管壁的辐射换热：(2)（3）热电偶测量端沿引线的导热：(3)（4）热电偶测量端的储热：(4)其中：热电偶与高温空气的对流换热系数；热电偶测量端表面积；热电偶测量端的温度；系统黑度（由于热电偶测量端的表面积远小于被它“看见”的管壁面积，接近热电偶材料的表面黑度）；玻尔兹曼常数；壁面温度；热电偶测量端材料导热系数；热电偶引线的横断面积。 实际上，由于用热电偶测温时，深入到高温气体中的引线相对于测点来说比较长，沿热电偶引线的导热

25、热流可以忽略。当测量气流的温度不变且热电偶测点达到热稳定时，热电偶测量端的储热热流，故有:(5)则(6)可以看出，只有当黑度为零或对流换热系数为无穷大或管壁温度等于气体温度时，才有。但实际上黑度不可能为零，也不可能为无穷大，由于存在热损失，管壁温度也不可能等于气体温度，因此，热电偶的指示温度永远不会等于气流的真实温度，用裸露热电偶测量高温气体温度时误差总是存在的。本实验只提供高温空气环境，要求学生自行设计实验方案对所提供的高温空气的温度()进行测量，并与实验台提供的准标准值进行比较，优秀的测试方案将在以后的科研中采用。三、实验使用的仪器设备及实验装置实验台由四大部分组成，分别为进气部分、加热部

26、分、测量部分、尾气处理部分。如图1设备总体图所示。整个实验台由光滑的不锈钢圆管制成，除进气段和实验段外其余部分均被绝热箱体包裹。空气由鼓风机引入，其流量可以通过翻板阀来进行控制，空气加热后进入实验段，学生在实验段对其温度进行测量，实验段出口的高温空气进入引风降温管路，与冷空气混合后排向大气。加热段内有加热电阻丝和绝缘陶瓷圆管，加热量约为3KW，具体数值由电压和电流表读取。图1 实验台总体图图2 学生测点安装示意实验台有两个实验段，开设两个学生测点，分别为“学生测点1”和“学生测点2”，两个学生可以同时在不同的实验段进行实验。在实验段上开有M20的螺纹孔，在与其配合的螺柱上开有的通孔，学生自制的

27、测温装置将被夹装在这里，如图2所示。实验室提供条件因为本实验为学生自主实验，要求学生根据学过的基本知识进行高温气体温度测量，故实验室只提供如下测试元件、仪表和相关实验材料：测试类：NiCr-NiSi热电偶、XST系列单输入通道数字式智能仪表、数字电流表、数字电压表。工具类：钳子、剪刀、扳手、台钳、什锦挫、镊子、螺丝刀、点焊机等。消耗品类：0.1mm厚不锈钢带、直径4mm不锈钢管、直径3mm瓷管等。四、具体实验步骤1、了解实验设备。2、自行设计实验方案，制作测试元件。3、起动风机，调节到合适风量。4、接通加热电源，对空气进行加热，注意观察仪表上数字的变化情况。5、给定额定加热功率，当每5分钟温度

28、变化不超过1度时，可以认为实验台达到了热稳定状态，开始记录实验数据。6、改变加热功率，空气温度也发生相应的变化，按第5步骤重新进行实验。要求测试不同功率时标准测点与学生测点的不同温度值。7、实验结束后，先关闭加热电源，并持续通风十分钟左右，待实验台温度降下来后才可以关闭鼓风机。整理实验台，将设备恢复到原来的状态。五、实验要求根据所学基本知识和实验室提供的条件，自行设计实验方案进行高温空气温度测量。并给出最终测试结果，与实验台提供的准标准值进行比较，然后，将与和（或）与画到同一张坐标纸上进行比较。六、实验准备及预习要求本实验是综合实验，要求学生根据所学专业知识并根据实验指导要求，实验前充分了解实

29、验原理，并能提出一到两种设计方案，希望广大同学发挥聪明才智，好的设计方案将被采用并得到一定的奖励。七、注意事项1、实验过程中，严禁身体的任何部分接触实验台的测量段，防止烫伤！2、实验过程中，严禁改变测量段的标准测点的任何布置！八、思考题1、热电偶测温的误差来源都有哪些？如何减小这些误差？2、在实验中忽略了热电偶导热的影响，为什么可以这样做？3、测点1与测点2的实验数据有什么不同？为什么存在这些不同？4、从实验和理论方面提出减小高温气体测量误差方法的一些建议。九、实验报告内容及格式1、实验目的2、实验内容、原理3、实验装置4、实验步骤5、提出1至2种高温气体测量设计方案6、实验结果与误差分析（包

30、括实验数据、处理图形）7、思考题解析实验四 管内对流换热实验The Convective Heat Transfer Test in The Pipes 一、实验目的1、了解对流换热实验的一般方法和了解如何建立对流换热的经验关系式；2、了解相似理论对实验的指导作用；3、熟悉测温、测速的基本方法；4、了解计算机在热工测量中的应用。二、实验原理传热学的发展是建立在实验基础上的，通过理论和实验相结合的分析方法来描述传热现象的各种因素对传热能力影响作用。由于各种原因，一些传热现象不能用数学方法描述，或者描述该问题的微分方程组无法求解，而工程师又需要得到这种情况下的实用的结果来解决实际问题。这种实用的结

31、果就要通过传热学的实验来得到。传热学实验大部分是在与实际问题相似的实验模型上取得大量的实验数据，然后将实验结果与实际问题联系起来，这就需要应用相似理论使得实验结果可以应用到实际问题中去。经过相似理论分析，描述传热的关系式可以用合理的无量纲相似准则数组合来表示。无量纲准则数的形式可以通过对描述换热的微分方程组进行无因次化得到。（请参考传热学）根据相似原理，流体在圆管内湍流流动强制对流换热时，其准则方程式的一般形式为Nuff（Ref，Pr f）通常这三个准则数之间具有如下的函数关系NufC RefmPrfn为确定上式中的参数C、m和n，我们需要进行一定量的实验来测量Nuf 、Ref和Pr f，这些

32、准则数都是对流换热系数、温度、速度、比容、特征尺度以及一些物性参数的组合，因此需要通过间接测量才能得到。然后对实验测得的Nuf 、Ref和Pr f进行数学处理和分析得到常数C和指数m、n。三、实验装置、测试仪器本实验的主要设备为对流换热实验台。实验件为光滑的不锈钢圆管（1Cr18Ni9Ti），通过在管外壁上布置测温热电偶进行温度的测量。管子两侧同一大电流电源相连，对管子进行加热，加热方式为等热流方式。管内介质水由一台小型清水泵提供，通过调节阀门可以改变流量的大小，从而改变雷诺数Ref。冷却水进出口温度由安装在管子进出口处的测温热电偶进行测量。整个实验台分为：水路系统、试件箱、加热系统、温度测量

33、系统四个部分。水路系统用来为实验提供不同流量的对流换热介质水，主要包括：水箱、水泵、分流管、流量计、散热器和一些阀门组成。水箱用来储存实验用水；水泵用来驱动水流过试件管；分流管用来改变流过试件的水的流量，改变分流管上的阀门开度使水泵抽出的水一部分流回到水箱，改变流过试件的水的流量；流量计用来测量流过试件的水的流量，也可通过流量计后的阀门对试件水流量进行微调；散热器用来将水换热得到的热量散到室外，达到循环利用水的目的。图1 管内对流换热实验测量系统试件箱内装有不锈钢圆管试件，试件通过岩棉保温层同外界绝热。试件的进出口装有测量水进出口温度的热电偶。试件两端通过电绝缘材料同水路系统连接，试件两端还通

34、过加热电极同加热部分连接。试件上焊有热电偶用来测量管子的壁温。热电偶的布置会影响实验的精度，一般在温度变化剧烈的位置上多布置几组热电偶，最后通过加权平均得到整个管子长度上的平均温度。加热系统由大电流加热电源、电压表、电流表、加热电极和导线组成。加热电极安装在不锈钢管的两端；电压表和电流表用来测量加热的电压和电流，通过计算得到加热量。温度测量系统包括热电偶、亚当模块、计算机组成，热电偶用来测量水进出口的温度和不锈钢管的壁温。亚当模块将热电偶产生的模拟信号转变为数字信号并送入计算机，同时亚当模块具有多通道选择功能和冷端补偿功能，可以多路热电偶共用一个亚当模块。计算机通过数据采集程序将亚当模块送过来

35、的数字信号进行转换、储存和显示。四、参数测量1、努赛尔数Nuf式中d圆管的内径 水的导热系数，可由定性温度tf（tf+tf”）/2查表得到。 h平均对流换热系数，其计算式为式中Q为加热电源的功率，Q=UI，U为加热电压，I为加热电流；L为实验段不锈钢管的长度，为介质水的定性温度。为平均壁温，由热电偶在试件上的位置按面积加权平均求得wi为热电偶测温点的权重，ti为热电偶测得的温度。2、雷诺数 式中 m介质水的质量流量，可由流量计直接读出。 f水的动力粘度系数，利用定性温度可以查得。3、普朗特数 Pr式中p水的定压比热容五、实验步骤1、在管子外壁上焊接测温热电偶（焊接时同样要注意不要把管壁焊穿）。

36、测温热电偶焊接的位置自定，但距离要适当，不要过于集中到某一段。同时记录下各个热电偶的焊接位置，作为温度的加权。2、将不锈钢管放入试件箱中适当位置，然后分别接好出入水管和测量水进出口温度的热电偶。3、在不锈钢管两端安装加热电极。将热电偶线从保温盒的圆孔中穿出，分别接到亚当模块上，记录连接到亚当上的通道。为方便记录和处理数据，最好按一定顺序连接热电偶线。4、检查是否有连接不当的地方，如果没有便将分流管的阀门完全打开，关闭量程大的流量计前后的阀门，开启量程小的流量计的前后阀门，准备实验。5、按下列顺序打开设备电源：开总电源，开水泵电源，检查水路系统有没有漏水，若没有可将保温材料装好，将试件箱的盖子盖

37、好，开加热器，开计算机。6、在教师的指导下调出温度测量程序。7、调节分流管阀门和流量计出口处阀门，使冷却水达到所需要的流量（根据所需雷诺数来确定，雷诺数要求大于104）。注意当流量超过300L/h时可换用大量程的流量计（流量也可再大一些但不要超过630L/h）。8、待管壁温度趋于稳定时记录下各实验数据，然后改变雷诺数重复几组实验。9、关闭加热器电源，等5分钟后再关闭水泵的电源。10、待水流净后可将不锈钢管拆下。11、全部实验结束后，关闭所有阀门与电源，整理实验台。六、注意事项1、注意实验中拆装不锈钢管时不要有水流到实验台上，更不要弄湿电源线。2、热电偶的焊接要在教师的指导下进行。3、开水泵前一

38、定要把分流管阀门完全打开。4、在使用小量程的流量计时，注意不要超出流量计的测量范围。5、有问题及时报告指导教师。七、书写实验报告并回答下列问题1、实验前在预习报告中做好实验数据记录表格。2、分析造成实验误差的影响因素，说明那些影响因素可以通过改进设计和实验方法来减小或消除。3、如何测量管内某一截面处的局部对流换热系数。4、画出壁温沿管长的分布曲线并根据实验情况解释。5、画出随的变化曲线。八、实验报告内容及格式1、实验目的2、实验内容3、实验原理（实验系统图）4、实验步骤5、实验结果与分析（包括实验数据记录表格、数据处理、数据曲线）6、思考题解答实验五 工作热电偶的检定与分度standardiz

39、ation and testing of thermal couple工作热电偶的检定与分度有两个目的。一个目的是保证热电偶的测量精度。检定其分度偏差是否符合国家规范。例如使用过程中定期检定。另外一个目的是提高热电偶的测量精度，即确定热电偶热电势和温度的关系，称为热电偶分度，供精密测量用。图1设备线路图热电偶检定方法，有定点法和比较法。定点法是利用纯金属的有两种熔点或凝固点的温度作为标准，对标准热电偶进行分度。工作热电偶采用比较法进行检定。利用标准热电偶在恒温装置中与被检热电偶直接进行比较。在0300范围内检定时，恒温水浴（0100）和恒温油浴（200300）中。与标准铂电阻温度计或标准水银温

40、度计进行比较。在3001600范围内，在电阻炉中与标准热电偶进行比较。本实验是在电阻炉中（或水浴）对工作热电偶进行检定与分度。检定设备线路连接如图1所示。一、热电偶测温原理两种不同的导体或半导体A、B组成闭合回路，如图2所示。如果两接点的温度T和T0不相同，则回路中就会产生电势，这种现象叫热电效应。该电势通常称为热电势，记为。由两种不同材料A,B构成的这种热电变换元件称为热电偶，导体A、B为热电极。两个接点，一个为热端（T），又称为测量端或工作端；另一个为冷端（T0）,又称为自由端或参考端。总之，热电偶是一种换能器，它将热能转变为电能，用所产生的热电势来测量温度。该热电势由接触电势和温差电势两

41、部分组成。二、实验目的1、深入了解和掌握工作热电偶在管式电炉（或水浴）中的检定与分度的方法。学会实验中所用仪器和设备的使用方法。2、了解工作热电偶在油浴或水浴中的检定与分度方法。三、实验内容1、采用比较法（双极法）在管形电炉（或水浴）中对铂铑-铂热电偶（S）或镍铬-镍硅（K）或铜康铜（T）热电偶进行检定和分度。2、参观学习温度检定所用设备和仪器。3、焊接热电偶，学习了解热电偶检定前的准备工作。4、整理实验数据，写出实验报告。四热电偶检定和分度的技术要求1、国家关于01300工业用热电偶电势（冷端温度0）对分度表的允许偏差如下表：热电偶名称测量端温度对分度表的允许偏差铂铑-铂60036000.5

42、%t镍铬-镍硅40034001%t2、热电偶的电极表面应清洁和平滑。没有重大缺陷，电极脆弱缺陷严重者不再作检定。贵金属热电偶（铂铑-铂）在其每个电极上不应有两个以上的焊接处。如果电极是用两段或两段以上焊接的，则把焊接处降到800时，在测量端和冷端温度相同的条件下所发生的热电势值。对于铂铑-铂热电偶不应超过0.2毫伏；对于其他贵金属热电偶来说，不应超过0.015毫伏。五、检定用标准仪器和设备1、二等标准水银温度计；二等标准铂铑-铂热电偶。2、0.02级UI26型低电势直流电位差计。3、寄生电势不大于2微伏的转换开关。4、0.02级精密温度数字电压表。5、水浴、恒温油浴和管形电炉。6、冰瓶、热电偶

43、氩弧焊机、DWK-702精密温度自动控制装置、退火柜和热电偶均匀性检查装置等。六、检定前的准备工作1、均匀性检查：即将待检新热偶丝拉直穿过一绕成螺旋形的电加热器，然后接到电位差计相连接的电插座上如图3。注意热电偶丝不要与加热电炉丝接触。加热器通电后，移动加热器观察电位差计上检流计的偏转，若有偏转说明热电偶组成成份不均匀，若偏转超过一定限度则此热偶丝不能应用，须更换。此试验是检查热偶极线的品质好坏。图3均匀性检查2、焊接热电偶：用氩弧机焊接。热接点要焊接牢固、表面光滑、无气孔、不脆弱和没有严重的腐蚀等缺陷。铂铑-铂热电偶清洗后不应有严重的色斑或发黑现象。焊接时应注意：1）使用氩弧焊机，勿将热电极

44、与机壳接触。否则会造成短路。2）焊接完毕应立即将“焊接阀门控制”旋钮关闭，以便节约氩气。3、新制成的或使用中的铂铑-铂热电偶，在检定前均要进行清洗，除去热电偶极线表面污垢、有机物和部分氧化物，以改善其热电性能及延长使用寿命。必要时尚需进行退火，以消除热电极中的应力，改善金相组织和提高稳定性。清洗步骤如下：1）将热电偶沿热电极方向盘成圆圈（直径不小于80毫米）放在大烧杯内用蒸馏水冲洗一次。2）再将热电偶放入盛有化学纯的3050（容积比）盐酸或硝酸的烧杯中，浸一个小时，或者煮沸十五分钟，然后用蒸馏水清洗并展直。3）将热电偶通电加热至11002（直径为0.5毫米的热电偶时，通电流约10.5安培）。再

45、用化学纯硼砂及热电偶上端，使硼砂熔化成液滴而下流，对热电极清洗。4）再将热电偶放在蒸馏水中煮沸，彻底洗去电极表面的硼砂和残留的酸。5）作精密测量用时，电极若有严重弯曲或较硬时，清洗后应再次退火一小时。4、检定镍铬-镍硅热电偶时，不需要清洗和退火。标准铂铑-铂热电偶装入一端封闭经王水清洗的石英管内。被检热电偶套上绝缘管后，将其用镍铬丝捆在石英管的四周，注意测量端要与标准热电偶测量端对齐为止（即在同一平面上），将其装入炉子的等温区，炉口用石棉绳堵严，防止空气对流。5、同时检定的热电偶的数量不应超过五支，被检热电偶数量太多，就不可能保证热电偶工作端处在同一温度。6、热电偶冷端放在装有水和冰的冰瓶内，

46、瓶内温度为0。7、按接线图，如图1接好并检查检定装置的线路，然后请老师检查并同意后，方可接通电源开始加温检定。七、检定过程接通电源，打开DWK-702自动恒温装置，将定值器拨到300的毫伏值。待电炉加温到30010，从标准热电偶开始，用电位差计依次测量各热电偶的热电势。DWK-702中有PID自动调节加温过程，所以炉温很稳定。当炉温未达到足够稳定时，读数一周，炉温变化不超过1。每支热电偶的读书不应少于二次。测量顺序如下：标准被检1被检2被检3标准被检1被检2被检3将测量数据记录在数据表中。依次将DWK-702的定值器拨到400、500、600相对应的毫伏值。测量并记录对应的数据。检定完后，经老

47、师检查测量数据合格后，方可断开电源。八、检定数据的处理1、用比较法检定时，按下式计算被测热电偶对分度表的偏差：-根据被检热电偶在某分度点的热电势（冷端为0）的读数平均值，从分度表查得的温度。根据标准热电偶在同一分度点的热电势（冷端为0）的读数平均值，从标准热电偶热电势分度表中查出的温度。例：在1000分度点，标准热电偶热电势读数平均值为9.535毫伏，被检的镍铬-镍硅热电偶热电势读数平均值为41.38毫伏，试计算其偏差值。解：求：由被检热电偶在1000分度点上热电势读数平均值E（）41.38毫伏，从镍铬-镍硅热电偶分度表查得：1002.75求：由标准热电偶在1000分度点上热电势读数平均值E（

48、）9.535毫伏，从标准镍铬-镍硅热电偶分度表查得：998.16。则其偏差值为1002.75-998.164.59修正值为C-4.59在此处认为标准热电偶不存在误差。标准热电偶得示值即为真值，但实际上标准热电偶测量时，也存在着误差，在要求精度更高时，标准热电偶热电势的读数平均值还需要经过修正。根据修正后的数值，再检出相应的温度。标准热电偶的修正值再标准热电偶校准时给出。2、国家规定镍铬-镍硅热电偶测量端温度大于400时，对分度表的偏差为1t时，此热电偶合格。3、根据需要给出分度表或E（，0）与对照表，或绘出E（，0）f（）曲线。九、实验报告内容及格式（预习报告内容包括前六项）1、试验目的2、实

49、验原理3、实验内容4、实验主要设备5、检定前的准备工作及检定线路图6、技术要求7、检定过程（测量顺序及原始数据记录）8、数据处理（对被检热电偶做出结论，合格与否并绘出温度与热电势曲线）9、思考题解析十、思考题回答下列问题：（1）均匀性检查是根据什么道理进行的？（2）若参考节点温度是变化的，可采用什么补偿方法？（3）用热电偶测量某处温度，若电偶极线途中经过一高温区，温度为，（即）那么由热电偶热电势而查出的温度是还是，为什么？十一、实验报告的书写要求采用标准实验报告纸，写清：学号/姓名/同组成员/日期，数据记录要制好表格写清楚热电偶的编号、毫伏值等。思考题要写清题目，回答要力求全面。曲线图用坐标纸

50、画或Excel等软件处理。实验六 先进热工测试技术Advance Thermal Engineering Testing Laboratory 一、实验目的1、通过液晶测温实验，掌握液晶测温原理，标定方法和实际应用。2、通过红外测温实验，熟悉红外测温原理和应用领域，掌握红外热像仪的标定。3、通过PIV测速实验，了解PIV测速原理，并掌握二维流场的实际测试技术。4、了解其他先进测温方法，如示温片、示温膏等。5、提高由实验结果分析物理现象的能力。二、实验内容1、应用PIV测速测速试验台测得二维速度场并进行分析。2、应用热电偶对红外热像仪进行标定，并应用红外热像仪测量计算机箱体内部、肋片、辐射平板等

51、进行测量，并实时监控。3、应用热电偶对液晶进行标定。4、应用液晶测温测量冲击冷却、自然对流圆柱体、自然对流平板以及搅拌槽中的温度场。5、操作示温片测温、示温膏测温等先进技术的测温方法。三实验仪器 HY-3088G型非致冷焦平面红外热像仪两台、 BM/R60C20W/S40型测温液晶、 CANNON数码相机两台、 PIV测试系统（主要包括高速摄像头，水槽，激光器等）、 示温片、 示温膏、 计算机箱体、 肋片、 辐射平板、 冲击冷却台、 自然对流圆柱体、 自然对流平板、 搅拌槽等四实验原理1、液晶测温的原理液晶是对介于液态和固态之间状态的一种中间相的一些有机化合物的称呼。液晶材料根据其分子结构可以

52、分为三种：近晶型液晶、向列型液晶和胆甾型液晶。不同类的液晶在不同的电磁场、应力、压力和温度场影响下，其分子的排列是不一样的。在液晶相状态下，分子失去了位序但保留了相序。相序使得液晶显示出晶体的某些光学性质，而缺乏位序则使之呈现出液态流动性。图1.1(a), 图1.1(b)和图1.2分别描述了近晶相和向列相及向列相液晶分子的分子取向。图1.1.(a) 近晶相 图1.1.(b) 向列相 图1.2向列相大多数胆甾型液晶表现为它们的颜色是随着温度的变化而变化，并且这种变化是可逆的，因此可用于传热和流动的研究。因为它们的颜色随温度变化，因此胆甾型液晶又被称为热色液晶。热色液晶颜色发生变化时，在低温段显示

53、红色，之后出现绿色，最后出现波长最短的蓝色。之所以如此与液晶温度变化的原理即液晶的分子结构变化很有关系。参阅图1.1，观察者能看到向列相液晶分子的排布。液晶显示的颜色和液晶分子旋向的螺距、入射光的入射角度和光谱范围，以及相对观察者的位置等有关。根据Bragg法则，如果入射光垂直分子层面入射，且分子层距等于光入射的半波长，那么将会出现等幅波的干涉现象。因此，入射光中波长等于分子层距即螺距的光，就会被选择性地反射。如果入射光不垂直于分子层面，那么液晶分子反射波长是,其中是入射光与分子层面间的夹角。因此，液晶颜色和入射光的入射角度是很有关系的。同时，由于液晶反射的波长和螺距有关，而螺距是温度的函数，

54、和温度成反方向的关系，即红色温度低，而蓝色温度高；然而红色波长长，蓝色波长短。之所以如此是与液晶从近晶相向向列相转变过程中的分子螺距变化有关。根据文献的进一步解释，液晶分子分层而整齐地排列着，每一层中的分子长轴互相平行，且平行于层面。当不同层的分子长轴排列沿螺旋方向（左旋或右旋）经历360o的变化之后，又回到初始取向，这个周期性的层间距称为热色液晶的螺距P，P随着温度的改变而变化。当用一束白光照射液晶层状结构时，液晶对光波的选择反射与P密切相关，其关系式中定义为： 式中：Max为最大反射光的波长，nm；1为入射角，2为反射角，(o)；n为该液晶的折射率。当固定1和2时，则液晶显示的颜色将只随P，即液晶显示颜色将只随温度的变化而变化。热色液晶通常以水浆的形式存在，而对于液晶来说，污染、溶剂、极端温度、紫外线都能导致其分解，因此通常采用两种方法保护使用，一种是微胶囊法，另外一种则是把液晶和多分子粘合剂混合，用喷、涂、浸泡等手段使其在物体表面形成涂层。并且发现，将液晶喷涂于以黑色为背景的表面时随温度变化可获得较亮的颜色图像。另外，液晶