传热学实验指导书

1、传热学实验指导书上海应用技术学院2009年6月目录前言1实验一 物体（耐火材料）导热系数测定2实验二 自然对流放热系数的测定5实验三 法向热辐射率测试11前言传热学课程的课内实践共开设三个项目，实验一：物体（耐火材料）导热系数测定；稳定状态时，通过样品上表面的热流量与散热盘向周围散热的速率相等计算样品的导热量，从而测出样品的导热系数。实验二：为自然对流放热系数的测定，通过本试验观察高温的物体在容器内引起的自然对流的现象建立起由于温差产生流体自由流动的知识，测定水自然对流时的放热系数，整理；实验三：为法向热辐射率测试，其目的培养学生三性的能力，掌握热辐射率的测试方法，了解各种物体的热辐射率（黑度

2、）。实验一 物体（耐火材料）导热系数测定一、 实验目的掌握物体导热系数的测定方法，了解耐火材料导热系数大小的基本情况。二、 实验原理依据物理学家傅里叶导热方程，在物体内部，取二个垂直于热传导方向。彼此相距为h，温度分别为1、2的平行面（设12），如果平面的面积均为S，在t时间内通过面积S的热量Q满足下述表达式。三、 仪器名称导热系数测定称重天平游标尺、千分卡尺冰水混合物图1 导热系数测定仪四、 安装步骤1. 将样品放在加热盘和散热盘中间，然后固定；调节底部的三个微调螺母，使样品与加热盘、散热盘接触良好。2. 将热电偶的两个插头插在表盘的测2上把冷端放在装有冰水混合物的杜瓦瓶内的细玻璃管中，热端

3、插在散热盘的小插孔上；将热电偶的两个插头插在表盘的测1上把冷端放在装有冰水混合物的杜瓦瓶内的细玻璃管中，热端插在加热盘的小插孔上。3. 插好加热板的电源插头；再将Q9线的一端与数字电压表相连，另一端插在表盘的中间位置。4. 最后，分别接好导热系数测定仪、数字电压表的电源。五、 实验方法1. 调节数字电压表的调零旋钮，再将加热开关拨至220V档，开始加热。2. 待稳定后，可以将切换开关分别拨至测1或测2端，记录此刻样品上、下表面的温度。3. 移去样品，使加热盘与散热盘较好的接触，再将加热开关拨至220V 档，加热散热盘。4. 移开加热板，在散热板上放置胶木板，使散热板自然冷却；稳定状态时，通过样

4、品上表面的热流量与散热盘向周围散热的速率相等，当散热盘冷却至稳态时的温度，记录此时的散热速率以求出热流量。具体操作如下：当读得稳态时的1、2后，将样品盘B移去，让发热盘A和散热盘C直接接触，使盘C的温度上升到比2高出1mV左右时，再将发热盘A移去，放上园盘样品（或绝缘园盘），让散热盘C冷却，每隔30秒读一次散热盘的温度值，选取邻近2的温度数据，求出铜盘C在2的冷却速率，则就是散热盘在2时的散热速率，即得：式中： m为铜盘的质量，C为钢的比热容。六、 注意事项在做稳态法时，约需用1小时左右，在2的数值在10分钟内不变时，可以认为稳定，记下1、2的读数值。使用前应将加热盘、样品盘、散热盘擦干净，还

5、可以涂少量硅油，以保证接触良好。若移开电热盘等时，应关闭电源后，再进行操作。七、 实验数据及结果处理样品盘几何尺寸：厚度（h） mm ；直径(D) mm散热盘物理参数：质量(m) kg ；比热(C) kJ/(kg)稳态时的对应温度读数毫伏值第一组第二组稳态时温度参数1毫伏值2毫伏值1毫伏值2毫伏值对应温度值第一组第二组散热盘速率测定时间2毫伏值对应温度时间2毫伏值对应温度耐火材料名称导热系数测定值：八、 思考题测定耐火材料导热系数造成误差的原因实验二 自然对流放热系数的测定一、实验目的和要求：1、了解空气沿管表面自由运动放热的实验方法，巩固课堂上学过的知识；2、测定单管的自由运动放热系数；3、

6、根据对自由运动放热的相似分析，整理出准则方程式。二、实验原理：对铜管进行电加热，热量应是以对流和辐射两种方式来散发的，所以对流换热量与辐射换热量之差，即Q=Qr+Qc =IV W (1)Qc=F（twtf） W (2) w/. (3) Q换热量W；Qr辐射换热量W；Qc对流换热量W；I加热电流A；V加热电压V；自由运动放热系数w/.；F园管表面积,F=d L,d与L分别为园管的外经和长度；tw园管表面平均温度 ；tf室内空气温度； （4） 试管表面黑度Ce黑体的辐射热系数Tw管壁平均温度Tf室内空气温度根据相似理论，对于自由对流放热，努谢尔特数Nu是葛拉晓夫数Gr、普朗特数Pr的函数即： Nu

7、=f(GrPr)可表示成Nu=c(GrPr)n （5）定性温度为流体与壁面的平均温度，定性尺寸为管子直径。其中c、n是通过实验所确定的常数。为了确定上述关系式的具体形式，根据所测数据和计算结果求得准则数： Nu=ad Gr=VBd32Pr、B、物性参数由定性温度从教科书中查出。改变工况（加热量），可求得一组准则数，把几组数据标在对数坐标纸上得到以Nu为纵坐标、以Gr、Pr为横坐标的一系列点，画一条直线，使大多数点落在这条直线上或周围，根据： lgNu=lgc+nlg(GrPr) 即 Y=A+nX （6）图一、确定参数之间指数关系图这条直线的斜率即为n, n=tg直线与横坐标之间夹角的正切。截距

8、为c。实验曲线可以用式（3）表示。C值还可以通过曲线上任一点与Nu与(GrPr)的数值计算出来， 即 三、实验装置及测量仪表：实验装置如图二：该装置有实验管（四种类型），实验管内装有电加热器，两端装有绝热盖，计算中略去轴向热损失。实验管上有热电偶嵌入管壁，使用电位差计可测量出管壁的热电势，从而计算外表面温度tw； 图二、实验管段构造示意图1加热导线 2.接线柱 3. 绝热盖 4.绝缘法兰 5. 绝热泡沫垫 6. 绝热体 7.实验管 8.管腔 9.加热管 10.热电偶测量仪表控制箱内有稳压器可稳定输入电压，使加入管的热量保持一定，并设置电流调节装置以改变加热电流从而改变实验管壁面温度。电压、电流

9、表测定电加热器的电压和电流,电加热功率Q=IV。见图三： 图三、控制箱 1. d1=80mm测温琴键开关 2.d2=60mm测温琴键开关 3.d3=40mm、d4=20mm测温琴键开关 4.测温管段转换琴键开关 5.加热接线柱(4对) 6.数显温度计 7. 热电偶接线柱(32对) 8. 数显温度计采集电位差计采集温度转换开关9.电压表10.电流表 12.13.14.15对应于四根实验管的加热开关 16.17.18.19 对应于四根实验管的加热调节旋钮 20.21 电位差计接线柱(1对)四、实验步骤：1、按电路图接好线路，经指导老师检查后接通电源；2、调整调压器，对试验管加热；3、稳定六小时后开

10、始测管壁温度，记下数据；4、间隔半小时再记一次，直到两组数据接近为止；5、把两组接近的数据取平均值，作为计算依据；6、记下半导体温度计指标的空气温度；7、经指导教师同意，将调压器调整回零位，切断电源。五、实验数据的整理：1、已知数据：管径d1=80mm 1200W d2=60mm 800W d3=40mm 600Wd4=20mm 300W管长L1=2000mm L2=1600 L3=1200mm L4=1000mm 实验时必须实际测量！ C0=5.669wm2k4 黑度1=0.11 2=3=4=0.152、测试数据：管壁热电势mv1 mv2mvn室内空气温度tf电流I、电压V3、整理数据：所测

11、根据热电势标出平均值mvm(mv1+mv2+mvn)n查出对应的温度tw,计算加热器的热量Q=IV（W）A、求对流放热系数B、查出物性参数定性温度取空气边界层平均温度tm=12(tf+tw)，在教材的附录中查得空气的导热系数、热膨胀系数、运动粘度、导热系数和普朗特系数Pr。C、用标准公式计算对流换热系数=0.53(PrGr)34求相对误差()D、以班组为单位整理准则方程把求得的有关数据代入准则中可得准则式，把对应的数据标在对数坐标上，几组数据可标得一条直线，求出Nu=c(GrPr)e。六、实验报告要求：1、实验目的、原理、步骤、数据整理；2、作出直线，写出准则方程式；3、误差分析。铬-铜镍（鏮

12、铜）热电偶（E型）温度-微伏对照表VVVVVVVVVV温度0123456789005911817623519435441347253210591651711770830890950101010711131201192125213131373143414951556161716781740301801186219241986204721092171223322952357402420248225452607267027332795285829212984503048311131743238330133653429349235563620603658374938133877394240064071

13、413642004265704330439544604526459146564722478848534919804985505151175183524953155382544855145581905648571457815848591559826049611761846251100631963866454652265906658672567946862693011069987066713572037272734174097478754776161207658775478237892796280318101817082408309130837984498519858986598729879988

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15、131991327313347200134211349513569136441371813792138661394114015140902101416414239143131438814463145371461214687147621483722014912149871506215137152121528715362154381551315588230156641573915815158901596616041161171619316269163442401642016496165721664816724168001687616952170281710425017181172571733317

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17、021817218952197322051221302220822286223652244322522320226002267822757228352291422993230712315023228233073302338623464235432362223701237802385823937240162409534024174242532433224411244902456924648247272480624885350249642504425123252022528125360254402551925598256783602575725836259162599526075261542623

18、326313263922647237026552266312671126790268702695027029271092718927268380273482742827507275872766727747278272790727986280663902814628226283062838628466285462862628706287862886640028946290262910619186292662934629427295072958729667410297472982729908299883006830148302293030930389304704203055030630307113

19、079130871309523103231112311933127343031354314343151531595316763175631837319173199832078440321593223932320324003248132562326423272332803328844503296533045331263320733287333683344933529336103369146033772338523393334014340953417534256343373441834498470345793466034741348223490234983350643514535226353074

20、803538735468355493563035711357923587335954360343611549036196362773635836439365203660136682367633684336924500370053708637167372483732937410374913757237653377345103781537896379773805838139382203830038381384623854352038624387053878638867389483902939110391913927239353530394343951539596396773975839839399

21、204000140082401635404024340324404054048640567406484072940810408914097255041053411344121541296413774145741538416194170041781560418624194342024421054218542266423474242842509425905704267142751428324291342994430754315643236433174339858043479435604364043721438024388343963440444412544206590442864436744448

22、4452944609446904477144851449324501360045093451744525545335454164549745577456584573845819实验三 法向热辐射率测试一、实验目的选取一定的材料，自己设计实验过程，定性地测量中温辐射时该材料的黑度。二、原理概述由n个物体组成的辐射换热系统中，利用净辐射法，可以求物体I的纯换热量Qnet.i (1)式中： Qnet.ii面的净辐射换热量。Qabs.ii面从其他表面的吸热量。 Qe.i i面本身的辐射热量。 i i面的黑度。 i(dk)k面对i面的角系数。 Eeff.kk面有效的辐射力。 Eb.ii面的辐射力。 i面

23、的吸收率。 Fii面的面积。根据本实验的设备情况，可以认为：1、传导圆筒2为黑体。2、热源。传导圆筒2。待测物体（受体）3，它们表面上的温度均匀（图1）。图一辐射换熱简图1热源 2传导圆筒 3待测物体因此，公式（1）可写成：Qnet.3=3(Eb.1 F113+ Eb.2 F22.3)-3Eb.3 F3因为F1= F3；3=3；3.2=1.2 又根据角系数的互换性F22.3= F33.2 ，则： q3=Qnet.3/F3=3(Eb.11.3+ Eb.232)3Eb.3= 3(Eb.113+ Eb.21.2Eb.3) （2）由于受3与环境主要以自然对流方程换热，因此： q3=(t3tf) （3）

24、式中：换热系数t3待测物体（受体）温度tf环境温度由（2）、（3）式得： （4）当热源1和黑体圆筒2的表面温度一致时，Eb1=Eb2 ，并考虑到，体系1，2，3，为封闭系统，则： 1.3+1.2=1由此，（4）式可写成： （5）式中b称为斯蒂芬玻尔茨曼常数，其值为5.710-8w/m2k4。对不同待测物体（受体）a,b的黑度为：；设a=b,则： （6）当b为黑体时，b1，（6）式可写成： （7）三、实验装置实验装置简图如图2所示： 图 2、实验装置简图1、调压器 2、测温转换开关 3、数显温度计 4、接线柱 5、导轨 6、热源 7、传导体 8、受体 9、导轨支架 10、热源电压表 11、接线柱

25、 12、测温接线柱（红为+） 13、电源开关热源腔体具有一个测温电偶，传导腔体有二个热电偶，受体有一个热电偶，它们都可过琴键转换开关来切换。四、实验方法和步骤本实验仪器用比较法定性地测定物体的黑度，具体方法是通过对三组加热器电压的调整（热源一组，传导体二组），使热源和传导体的测量点恒定在同一温度上，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，但表面薰黑）两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、自己选取合适的材料。2、热源腔体和受体腔体（使用具有原来表面状态的物体作为受体）靠紧传导体。3、用导线

26、将仪器上的测温接线柱12与电位差计（用户自备）上的“未知”接线柱“+”“-”极连接好。按电位差计使用方法进行调零、校准并选好量程（1）。4、接通电源，调整热源、传导左、传导右的调温旋钮，使其相应的电压表指针调至红点位置。受热约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的电压旋钮，使三点温度尽量一致。5、系统进入恒温后（各测温点基本接近，且在五分钟内各点温度波动小于3），开始测试受体温度，当受体温度五分钟内的变化小于3时，计下一组数据。“待测”受体实验结束。6、取下受体，将受体冷却后，用松脂（带有松脂的松木）或蜡烛将受体薰黑，然后重复以上实验，测得第二

27、组数据。将两组数据代入公式即可得出代测物体的黑度受。五、注意事项1、热源及传导的温度不宜超过200。2、每次做原始状态实验时，建议用汽油或酒精将待测物体表面擦净，否则，试验结果将有较大出入。六、试验所用计算公式根据（6）式本实验所用计算公式为： （8）式中： 0相对黑体的黑度，该值可假设为1。 受代测物体（受体）的黑度。受受体与环境的温差。0黑体与环境的温差。T源受体为相对黑体时热源的绝对温度。受体为被测物体时的热源绝对温度。T0相对黑体的绝对温度。T受待测物体（受体）的绝对温度。七、实验数据记录和处理（举例） A0 实验数据(或直接从数显仪表读出温度)序号N0热源mv()传导 mv()受体（

28、紫铜光面）mv()备注12123室温= 平均 序号N0热源mv()传导 mv()受体（紫铜薰黑）mv()12123平均 B0 实验结果由实验数据得： T受= K T0= K T0= K T/源= K T源= K T受= K将以上数据代入（8）式得：=在假设0=1时，受体紫铜（原来表面状态）的黑度受附录 镍铬-铜镍（鏮铜）热电偶（E型）温度-微伏对照表VVVVVVVVVV温度012345678900591181762351943544134725321059165171177083089095010101071113120119212521313137314341495155616171678174030180118621924198620472109217122332295235740242024822545260726702733279528582921298450304831113174323833013365342934923556362060365837493813387739424006407141364200426570433043954460452645