热动传热学指导书

课程编号：02300620课程名称；传热学HeatTransferExperi(BelongtoPyrologyStaffRoom)HefeiUniversityofTechnology2023.1试验一粉末或散装绝热材料导热系数测定试验一、试验目的1、稳固课堂所学的稳态导热的根本理论；2、学习圆球法测定粉末或散装材料导热系数的试验方法；3、测定试验材料(膨胀珍宝岩或空心微珠的粉末)在试验温度下的导热系数；4、生疏热电偶测温、直流电位差计测热电势的原理和方法。二、试验原理试验时将粉末或散装试验材料均匀地填满在圆球导热仪的大球和小球之间。小球内芯装有电加热器，电加热器放出的热量传给小球，然后通过试验材料传向大球，再由大球传给空气。试验中可保证大、小球壁的温度均匀全都，因此在经过一段时间加热后，自小球向大球的传热可视为球坐标系〔三个坐标方向为：半径r方向，球的经度方向及球的纬度方向〕中的沿半径方向的一维稳态导热。导热量可由傅立叶定律算出：QAdt4r2dt (1—1)移项后为

dr drQdrdt从小球到大球积分〔rdtw；大球半1 1 1径为r，直径为d，壁温为tw

〕有 Q2(tw1tw2)2 2 2

11〔1—2〕式中：d、d单位为m1 2tw、tw单位为℃1 2Q的单位为wλ的单位为w/m.℃

d1 d2由上式得

Q(11)d1 d2

〔1—3〕2(tw1tw2)试验中测出电加热器的功率或测出电加热器的电压V〔伏特和电流1〔安培〕就可得到传热量Q；大、小球的壁面温度twtw可由埋在大、1 2小球壁面上的各三对铜-康铜热电偶测出；大球直径d=160×10-3m，小球2直径d=80×10-3m。测出这些数据后就可依据〔1－3〕式算出导热系数值。1dd〔1－3〕式整理后可得λ的简洁算式：1 20.9952 Q 〔1—4〕tw1tw2三、试验装置1试验装置图试验装置由圆球导热仪、试验材料、电加热器、热电偶及冰瓶、多点切换开关、电位差计、功率表或电压表与电流表、沟通稳压电源、自偶变压器、整流器等组成。圆球导热仪由大、小两个空心的球壁组成，小球同心地装在大球内，试验材料填满在大小球壁之间。大球内壁和小球外壁上埋设的三对热电偶的冷端接冰瓶，热端和多点切换开关相连接，以便通过电位差计测出六个热电势〔大球壁三个、小球壁三个，然后查热电偶分度表得到大、小球壁面的平均温度。小球壁内的电加热器由沟通稳压电源、自偶变压器、整流器供电，功率由电压表与电流表测出或由功率直接读出。电加热器的输入功率大小可由自偶变压器调整，以转变大、小球壁的温度。四、试验步骤1线路，经指导教师检查后，接通电源，并调整电加热器的输入功率为指定值〔该值由指导教师临时告知。2〔可由热电偶的热电势不变示出〕导热仪中导热已进入稳态，可以正式测量与记录数据。3〔小球为、、3，大球为56并记录试验中功率表读数或电流与电压表读数。4、切断电源，完毕试验。试验二空气横掠单管时平均对流换热系数及准则方程式测定试验一、试验目的1、学习测定空气槽掠单管时平均换热系数的方法；2、测定空气槽掠单管时的准则方程式；3、生疏空气流速及管壁温度的测量方法。二、试验原理1、空气槽掠单管的平均对流换热系数α的测定QA(twtf) Q (4-1)A(twtf)式中α――单管沿周平均对流换热系数w/m2℃。Q――单管与空气间的对流换热量，它等于装在管子上的电加热器的功率，单位为WA――单管的外外表积，m2；A＝πDL，D〔单位为m，可选不同D的管子试验，LL=0.1mtw,――管外壁温度，℃tf,――空气温度，℃试验中只要测出电加热器功率及管外壁温度

t tw及空气温度f即可按〔4－1〕式算出空气槽掠单管时的平均对流换热系数α。2、空气横掠单管时准则方程式测定依据传热学教科书，强迫对流换热准则方程的一般形式为Nuf1(Re,Pr) (4-2)〔4－2〕Pr〔4－2〕式变为Nuf2(Re) (4-3)阅历说明〔4－3〕式可以写成指数形式，即NuCRen (4-4)C及指数n，就得到了空气槽掠单管的准则方程具体形式。C、n对〔4－4〕式两边取对数，得lnNulnCnlnRe(4-5)〔4－5〕lnNu-lnRenlnCC、n试验中转变单管外径D值或转变空气流速u值，每转变一次得到一个雷诺数

uDReRev述方法测定，可算出一个Nu值Nu

D，空气导热系数λ值试验中为常数D值或vRNlnNu－lnRe得到一条直线，然后求出这条直线的斜率和截距就得到n、CC、n三、试验装置1空气横掠单管对流换热试验装置试验时，在风机的抽吸下，室内空气经进风口〔可调整进风口面积以转变空气流速有机玻璃风道内，这样就造成了空气槽掠单管的流淌。试件为一薄壁不锈钢圆管〔直流〕加热，此热量被横掠试件的空气带走。加热段ab长度为L=0.1m，试件外径D对每组试验来讲是固定不变的，但空气流速可以通过进风口进风截面大小来调整。试件的低压大电流由奎直流电源供缎带。加热功率在不同风速下是一样的。为确定试件壁温t〔热端热电偶的冷端就置于空气流中。由空气流的温度〔就等于室温〕可从热电偶分度表中查得E(tf,0)值，而由电位差计可测得热电势E(twtf)值，E(tw,0值按下式算出：E(tw,0)E(tw,tf)E(tf,0)E(tw,0)值查热电偶分度表得到tw〔由于试件很薄，仅0.2～0.3mm，且内壁绝热，故查出的温度值就是单管外壁温度t 〕wpδpδd132L≈3d〔8——10〕d图2 毕托——静压管pp01〔图中20”表示〕和静压孔〔图中3点〕列伯努利方程〔见图42，有p0 u2

p u2Z0 0Z z=Z，u=0，故有0 0

g 2gp pp1u20 2

g 2g2pu 〔式中2pΔpHmm。考虑到斜管的倾斜角以及将液柱密度〔倾斜微压计中液体是煤油折合成水柱密度等因素，读出的H值应当乘以斜压计的倍率。本试验中斜压0.2，故实际压差高度为h=0.2H。压差〔为水的密度。这样空气流速计算式变为22gh/1000取水的密度=1000kg/m3 ，则上式最终变为2gh2gh

(4-6)2式中h,为mmHO. 为空气密度〔由空气温度查表〕2为了使一台电位差计能测出试件工作电压、工作电流及热电偶热电势，试验装置中设置了转换开关。四、试验步骤1、阅读试验指导书，生疏本试验的试验装置与测试仪表。2、将单管试件安装在风道中〔每试验小组单管直径不变，Re的转变通过转变进风口的流通面积大小试验，试验中进风口面积转变五次，也即可调五个空气流速。3、启动风机〔即接通电源工况稳定后进展测量。4、用电位差计〔通过转换开关〕测出试件的电压降〔读数为m。5、用电位差计〔通过转换开关〕测出试件的工作电流〔读数为mV。6用电位差〔通过转换开关测出试件外表热电偶的热电势 单位7、读出倾斜微压计的斜管液面长度〔m。8、调整进风口进风面积，调好后重复4－79、试验完毕，关闭电源。五、最小二乘方法求C、n为书写便利起见，令〔4－5〕式中lnNuylnRexlnCb,〔4－5〕式变为

ynXb (4-7)试验得到N组ReNu〕就有N组、。将每一组y、xyx(i=1~N)i i设每一次试验得到的yi值与按ynxib算出的y值之差为i i .( yi i iyiyyinxibiN2ii

Ni

2(yinxi

b)2在i1 0,i1

0 时求出的n、b值可使误差最小。n b由上面二个偏导数等于零可得到 N N NnX2bX XY i i iii1 i1 i1 (4-8)N Nn XiNb yii1

i1NN N 因此只要算出X2,X ,XY,NN N

,四个值，并代入〔4－8〕i i ii ii1 i1 i1 i1n、bblnCC程的具体形式。说明：1〕由于每个试验小组只测出五组〔Re、Nu〕数据，试验数据的组数不够，因此必需把本班另一试验小组的五组数据取来，然后由最小二乘方法求出C、n2〕C、nRe=4~40C=0.821n=0.385Re=40~4000C=0.615n=0.466Re=4000~40000C=0.174n=0.618Re=40000~250000C=0.0239n=0.805试验四 系数测量试验一、试验目的12、把握角系数测量仪(即机械式积分仪)的原理和使用方法；3dA(水平放置)A(A为1 2 2矩形、垂直放置)的角系数F 。dAA1 2二、图解法求角系数原理FdAA

dA1

放射的辐射能落到A2

上的能量的份额。设dA11 2为黑体，则dA放射的辐射能为dQ=dAE 〔E

的辐射力；假设落1 b 1b1 b1 1AdQ2 b,dAA

,则有1 2dQF b,dAAdAA

1 2dAE1 21 b1〔1〕dQ

b,dAA

可表示为dQb,dAA

1 2I CosdAb 1

d11 2 1(2)E式中：I ——dA的定向辐射强度，I b1b1 1

b1 d1——A2上的微元面积dA2dA1所张的立体角dA1Cos1——dA2上所看到的放射面积(可见放射面积)1——dA1dA2的连线与dA1的法线间夹角(2)1。图解法求角系数的具体方法是：以dA1为球心，作一个半径为R的半球面(1)dA中心向dA1 2的交点形成的面积记为dAdA对dA所张的立体角也是d

s s 1 1dAd，可用球面上的dA来计算，结果是d s,代入(2)式得1 sEb

1 Cos

dAdAdQb,dAA

Cos

dA1 1

SER2

1 1 S21 2 1〔3〕图1 角系数FdA-A

图解原理1 2dA中心到A1 2记为As，则有dQ b,dAA

CosdAdAE 1 1 b 2

E dAb 1

Cos1dAs2〔4〕

1 2 d 1 1 As s(4)式中CosdAs正好是球面上的面积dAs在水平面上投影面积1dA，于是(4)式可改为spdQ E

dA

dA spE

AdA spb,dAA b 1 b 〔5〕

1 2 1 A 1sp式中：A 为球面上面积As在水平面上投影面积。sp把(5)式代入(1)式可得AF1dAA1

sp2R22〔6〕(6)式便是图解法求角系数的原理式。依据(6)式，图解法求角系数F

dA1

为球心作一个半径为RdA1

中心向1 2A周线上各点引直线，各直线在球面上截出的面积为As，最终将As投影2到半球底面上得投影面积Asp，测量出Asp大小，就可按(6)式求出角系数F 。dAA1 2上述推导中曾假定dA1

〔6〕式对灰体也成立。dA三、角系数测量仪构造和测角系数F AdA1 2

的原理及方法角系数测量仪是依据图解法原理测微元外表到有限外表角系数的机械SM—12。主要有立柱、滑杆、平行连杆、镜筒、记录笔、平衡块、镜筒上的瞄准镜、底座、方位角旋钮、高变角旋钮等组成。图2 SM-1型角系数测量仪构造图3为SM-1角系数测量仪示意图1垂直于水平面MN于B点。立杆可绕其轴线旋转，以带动滑杆2旋转。滑杆2通过两根长度皆为R的平行连杆a、b保持与MNa即是测量仪的镜筒，A点为假想的球心(dA1)23CA2周线扫瞄2可以旋转和上、下移动(A的水平周线局部扫瞄时，滑杆转2动；对A的垂直周线局部扫瞄时，滑杆上、下移动，这时山立杆、滑杆、2连杆a、b组成的四边形发尘变形，从而使记录笔沿半径方向移动。)图3 SM-1角系数测量仪示意图4。瞄准镜是dA，A为垂直放置的a×b的矩形1 2面积。在测量仪底座下放一张大白纸(或方格纸)，手握平衡块使镜筒放到水平位置〔马上连杆放到最低位置，然后手握平衡块使立柱旋转360 这时记录笔在白纸上黑出一个半径为R的圆。再手握平衡块，通过瞄准镜瞄准A的周线扫瞄一周(A周线上的2 2点要连成一线)，这时记录笔在白纸上画出的面积就是A，测量出A 和sp sp圆的面积，两者之比就是角系数FdA1-A2

(A2

周线扫瞄时，也可通过调整方位角和高度角进展)。四、试验步骤1的一面朝上。在盖板上贴上白纸，留意在盖板的定位铜圈处白纸要开一小孔以使定位铜圈露出。2位铜圈。3、将仪器箱体靠盖板垂直放置(留意盖板上的箭头与箱体上箭头对准)。这时箱体上的a×b的矩形就是A2。4、将镜筒放到水平位置(即连杆放到最低位置)，锁紧连杆，放下记录(通过平衡块来旋转)，使记录笔在白纸上画出半径为R的圆。5、将记录笔抬起，放松锁紧旋钮，调整方位角和凹凸角，瞄准A的2周线进展扫瞄操作练习(是直接手握平衡块进展)，练习到描瞄动作娴熟、准确时方可正式测定。6、放下记录笔，细心地扫描A的周线一圈，记录笔这时在白纸上画2出的面积即是Asp。7、用求积仪测出A 面积大小，并测量白纸上圆的半径R的尺寸，然spAF1dAA1

sp2R22

系数。留意，对同一个A2

一般要测量假设干次，以求得平均角系数。8A的尺寸a、b4中的尺寸C，按以下理论公式计算出角2

，并与测量的角系数值进展比较。1x1x2y2x2y2F 1(tgx2y2

y tg1 )12dAA12

2 y五、留意事项1转变仪器的高度角，否则将损坏齿轮。2、每次描瞄完毕时应马上抬起记录笔，以免弄脏记录纸。图4 试验操作时仪器放置构图试验五两端为第一类边界条件的伸展体传热特性试验一、试验目的培育学生通过试验手段和试验的数据分析，求解具有对流换热条件的伸展体的传热特性。二、试验装置及测量方法本试验装置山风道、风机、试验元件、主付加热器、测量热电偶等组1。1试验装置的系统简图1、风机2、风道3、等截面伸展体4、主加热器5、测温热电偶6、付圳热器7、热电偶拉杆及标尺8、热电偶冷端9、电位差计10、电压表11、风机转换开关12、调压变压器试件是一紫铜管，放置在一风道中。山风机和风道造成空气均匀地横向流过管子外表的对流换热条件。管子外表各处的换热系数根本上是一样的。管子两端装有加热器，以维持两端处于所要求的温度状况。这样就构成一两端处于某温度的，中间具有对流换热条件的等截面伸展体。为了测量铜管沿管长的温度分布，在管内安装有可移动的热电偶测温头。其冷端就放置在空气中，这样通过UJ—36电位差测出的热电势，就反映了管子各载面的过余温度，其相应的位置由带动热电偶测温头的滑动块在标尺上读出。管子两端的加热器，通过调压变压器来把握其功率，以到达把握两端温度的目的。为了转变空气对管壁的换热条件以转变空气流过管子外表的速度。试件的根本参数：管子外径：do=11.5mm 管子内径di=10mm管子长度L=200mm 管子导热系数=398w／m℃三、试验原理具有对流换热的等截面伸展体当长度与横截面之比很大时(常物性)其导热微分方程式为：aUAdaUAdx2

m2 maUA其中：m——系数maUA——过余温度tt (℃);ft——伸展体温度(℃)；t——伸展体四周介质的温度(℃)：fQ——空气对壁面的换热系数，(W／m2，℃)：U——伸展体周长，本试验中U=do(m)；A——伸展体截面面积，本试件为A

(d24 0

d2),(m2)1伸展体内的温度分布规律，由边界条件和m值确定。四、完本钱试验的具体作法〔1〕解：

d2dx2

m20截面积为A，周长为U的棒状体(棒导热系数为W/m．℃)两端分别L的两大平壁相连接(tw1

tw。园棒与空气接触，2空气温度为t。(设t >t>t

棒与空气的对流换热系数为Q(／2f w1 f w2求：①沿X方向的过余温度。的分布方程式：②分析沿X方向棒的温度分布曲线的可能外形，分析各参数：L、U、A、、d、tw、tw、t的影响：1 2 f③棒的最低温度截面的位置表达式(0<X<L存在最低温度值时)：④棒两端从壁导入的热量，Q及-Q。1 2练习25mm300mm的钢棒=50w／m．℃)两端分别与大平壁相连接，平壁保持定温tw1

=2