傳熱學綜合性實驗指導書

1、傳熱學實驗指導書黃金 張國慶廣東工業(yè)大學材料與能源學院實驗指導書實驗項目名稱：兩種傳熱方式性能參數(shù)的綜合測定實驗項目性質(zhì)：專業(yè)基礎課實驗（綜合性實驗）所屬課程名稱：傳熱學實驗計劃學時：4一、 實驗目的1熟悉在穩(wěn)定熱流條件下，用平板法測定導熱系數(shù)的方法。2掌握在不同溫度條件下，試材導熱系數(shù)的測定。3了解確定導熱系數(shù)與溫度的變化關系。4了解對流換熱的實驗研究方法。5測定空氣橫向流動管簇表面時的平均放熱系數(shù)，并將實驗數(shù)據(jù)整理成準則方程式。6學習測量風速、溫度、熱量的基本技能。二、 實驗內(nèi)容和要求實驗測試內(nèi)容分兩部分進行，分別為平板法測定材料的導熱系數(shù)、強迫對流管簇管外換熱系數(shù)測定及中溫物體輻射黑度測

2、定。1第一部分測試內(nèi)容平板法測定材料的導熱系數(shù)平板法是應用一維穩(wěn)定導熱過程的基本原理，測定絕熱材料導熱系數(shù)的實驗測定方法之一。本裝置由的中心為一發(fā)熱板，通電后發(fā)出熱量Q=IV（W）向兩側(cè)導熱，如測得中心發(fā)熱板和兩側(cè)冷板之間的溫差，又已知試材厚度和試材的傳熱面積F，則可得試材的導熱系數(shù)：。本實驗裝置由實驗裝置本體15，硅整流電源6，轉(zhuǎn)換開關7，電位差計8等組成，見附圖一所示。熱源板見附圖二所示，為兩塊180×180mm直接通電的薄膜發(fā)熱板對稱復合而成（可以視為均勻板），每塊板對稱復合而成可以分成9個60×60mm的發(fā)熱區(qū)。以中心部位為測試區(qū)。其余部分為保證一維導熱的輔助加熱區(qū)

3、。在熱源板上裝有銅康銅電偶，以測出其溫度。冷側(cè)均溫板為附有二平行布置的蛇形冷卻管的銅板。二蛇形管內(nèi)水流方向相反，以使冷側(cè)板溫度分布均勻。在板上裝有銅康銅熱電偶，以測出該處溫度。所有熱電偶的電勢、中心熱源板的電壓、通過標準電阻的電壓降，都經(jīng)過轉(zhuǎn)換開關后由電位差計測量。線路見附圖三。表1列出轉(zhuǎn)換開關位置相對應的測量值。熱電偶冷端放于冰水瓶中。表1：轉(zhuǎn)換開關編號對應測點熱面溫度測試中心溫度測試區(qū)邊緣溫度測試近鄰區(qū)溫度左側(cè)135右側(cè)246冷面溫度測試區(qū)電壓降標準電阻兩端電壓降7911810實驗時通過測量O3、O5（或O4、O6）處熱電偶電勢的差值，可以了解中心區(qū)與輔助區(qū)的差異。監(jiān)測中心O1、O2點熱電

4、偶電勢，即可判斷工況是否穩(wěn)定。工況穩(wěn)定后，由O1、O2、O3、O4處電勢的平均數(shù)值，既可求得熱源板的溫度。從Va,Vb(Vc,Vd)處各引出2根銅線，以測量中心區(qū)左右側(cè)熱源板的電壓降V9及V10，流過熱源板的電流由由通過標準電阻9兩端的壓降V11測出，即可計算熱源中心區(qū)的電功率。實驗時，試材4做成二塊正方形的平板，尺寸為180×180mm，厚度為20mm，試材被夾緊在熱源板5和冷側(cè)均溫板3之間。2第二部分測試內(nèi)容強迫對流管簇管外換熱系數(shù)測定根據(jù)相似理論，流體受迫外掠物體時的換熱系數(shù)與流體流速、物體幾何參數(shù)、物體間的相對幾何位置以及流體物性等的關系可用下列準則方程式描述：。實驗研究表明

5、，空氣橫掠管簇表面時，由于空氣普郎特數(shù)（Pr=0.7）為常數(shù)，故一般可將上式整理成下列指數(shù)形式，式中，均為常數(shù)，由實驗確定。努謝爾特準則 雷諾準則 上述兩準則中,壁面平均對流換熱系數(shù)W/m²·實驗管外徑，作為定性尺寸，m空氣導熱系數(shù)，W/m·空氣流過實驗管外最窄截面處流速，m/sn空氣運動粘度，m²/s角下標“m”表示以空氣邊界層平均溫度作為定性溫度式中：實驗管壁面平均溫度空氣平均溫度本實驗的任務在于確定與的數(shù)值，首先使空氣流速一定，然后測定有關的數(shù)據(jù)：電流及電壓的功率、管壁溫度、空氣溫度、微壓計動壓頭h。至于、在實驗中無法直接測得，可通過計算求得，而物

6、性參數(shù)可在有關書中查得。得到一組數(shù)據(jù)后，可得一組、值：改變空氣流速，又得到一組數(shù)據(jù)，再得一組、值：改變幾次空氣流速，就可得到一系列的實驗數(shù)據(jù)。三、 實驗主要儀器設備和材料1平板法測定材料的導熱系數(shù)實驗裝置本實驗裝置由實驗裝置本體15，硅整流電源6，轉(zhuǎn)換開關7，電位差計8等組成，如附圖一所示。試材視具體情況提供。2強迫對流管簇管外換熱系數(shù)測定實驗裝置本對流實驗在一實驗風洞中進行。實驗風洞主要由風洞本體、風機、構架、實驗管及其加熱器、水銀溫度計、傾斜式微壓計、皮托管、熱工儀表、功率表以及調(diào)壓變壓器等組成。實驗風洞如圖1所示（溫度計、微壓計、功率表以及調(diào)壓變壓器等圖中未示出來）。由于實驗段前有兩段整

7、流，可使進入實驗段前的氣流穩(wěn)定。皮托管置于測速段，測速段截面較實驗段小，以使流速提高，測量準確。風量有風機出口擋板調(diào)節(jié)。實驗段為一叉排或順排管簇段，實驗管置于管簇第三排，管內(nèi)裝有電加熱器作為熱源，管壁嵌有四對熱電偶對測壁溫。1-雙扭曲線進風口； 2-蜂窩器； 3-整流金屬網(wǎng)； 4-第一測試段； 5-實驗段； 6-第二測試段； 7-收縮段； 8-測速段； 9-橡皮連接管； 10-風機； 11-皮托管。圖1 強迫對流管簇管外換熱系數(shù)測定實驗風洞簡圖四、 實驗方法、步驟及結構測試1第一部分測試內(nèi)容平板法測定材料的導熱系數(shù)，實驗步驟如下：（1）裝好試材后，用壓板螺絲將試材均勻壓緊，以保證與冷熱面均勻接

8、觸。（2）檢查電源、測量線路及冷卻水接管，并將硅整流電源調(diào)整至零位。（3）打開自來水開關，使冷面保持均溫。（4）開啟硅整流電源，然后將電壓、電流調(diào)至一定的數(shù)值。（5）待冷熱面溫度穩(wěn)定后，讀取所有數(shù)據(jù)，并記錄在表二上。（6）改變電功率（改變工況），穩(wěn)定后讀取中一電功率下的所有數(shù)據(jù)。其中應注意事項：（1）硅整流電源的電壓電流數(shù)值調(diào)得不可太高，以免燒壞試材（125A）（2）自來水流量不要太大，以免損壞實驗裝置。2第二部分測試內(nèi)容強迫對流管簇管外換熱系數(shù)測定，實驗步驟如下：（1）將皮托管與微壓計連接好，校正零點；連接熱電偶與加熱器、功率表以及調(diào)節(jié)變壓器的熱工儀表電器箱線路連接好。經(jīng)指導老師檢查確認無誤

9、后，準備啟動風機。 （2）在關閉風機出口擋板的條件下啟動風機，讓風機空載啟動，然后根據(jù)需要開啟出口擋板，調(diào)節(jié)風量。 （3）在調(diào)壓變壓器指針位于零位時，合電閘加熱實驗管，根據(jù)需要調(diào)整變壓器，使其在某一熱負荷下加熱，并保持不變，使壁溫達到穩(wěn)定（壁溫熱電偶電勢在三分鐘內(nèi)保持讀數(shù)不變，即可認為已達到穩(wěn)定狀態(tài)）后，開始記錄熱電勢、電功率、空氣進出口溫度及微壓計的讀數(shù)。電壓不得超過180V。（4）在一定熱負荷下，通過調(diào)整風量來改變Re數(shù)的大小，因此保持調(diào)壓變壓器的輸出電壓不變，依次調(diào)節(jié)風機出口擋板，在各個不同的開度下測得其動壓頭，空氣進、出口溫度以及電位差計的讀數(shù)，即為不同風速下，同一負荷時的實驗數(shù)據(jù)。（

10、5）不同熱負荷條件下的實驗，僅需利用調(diào)壓變壓器改變電加熱器功率，重復上述實驗步驟即可。（6）實驗完畢后，先切斷實驗管加熱電源，待實驗管冷卻后再關閉風機。五、實驗數(shù)據(jù)的整理1第一部分測試內(nèi)容平板法測定材料的導熱系數(shù)，實驗數(shù)據(jù)整理過程如下：（1）功率計算 Q = IV（W）其中：V熱源板中心區(qū)劃測得的電壓降； V=（V9+V10）/ 2V9 由左熱源板Va、Vb處測得的電壓降。V10由右熱源板Vc、Vd測得的電壓降。I流過熱源板的電流（A），由流過標準電阻9上產(chǎn)生的電壓降V11來計算，因為標準電阻75A/75mv，所以測得標準電阻上每1mv電壓等于1A的電流流過。（2）導熱系數(shù)的計算：（W/m.K

11、）其中：試材厚度，=0.02m試材面積，F(xiàn)=0.003m 冷面的溫差， 熱源板平均溫度：t1=( t01 + t02 + t03 + t04 )/4冷側(cè)均溫板溫度：t2 =(t07 + t08)/2試件平均溫度:tm=0.5(t1 + t2)對于各種試材，在各種不同的平均溫度下，可測定試材導熱系數(shù)和溫度的關系對于大多數(shù)試材變化范圍不大，該關系式可用直線表示。（3）按表二整理三組實驗結果，求出熱流量和導熱系數(shù)。（4）在t坐標圖上分別描繪出相應于三個平均溫度下的導熱系數(shù)。（5）按選點法求出導熱系數(shù)受溫度影響的方程式=0（1bt）2第二部分測試內(nèi)容強迫對流管簇管外換熱系數(shù)測定，實驗數(shù)據(jù)整理如下：（1

12、）壁面平均放熱系數(shù)電加熱器所產(chǎn)生的總熱量，除了以對流方式由管壁傳給空氣外，還有一部分是以輻射方式傳出，因此，對流換熱量為 式中：輻射換熱量W加熱電功率W試管表面黑度： e=0.60.7（或用中溫輻射黑度測試儀測試）絕對黑體輻射系數(shù)：管壁面的平均絕對溫度K 空氣進出口的平均絕對溫度K管表面積根據(jù)牛頓公式，壁面平均對流放熱系數(shù)為： （2）空氣流速的計算采用皮托管在測速段截面中心點進行測量， 由于實驗風洞測速段分布均勻，因此不必進行截面速度不均勻的修正。 若采用傾斜式微壓計測量得的動壓頭為， 則有能量方程式： 而 式中： 微壓計酒精的密度，空氣的密度，根據(jù)空氣的平均溫度，可在有關書中查得。 傾斜式微

13、壓計液柱高m。由上式計算所得的流速是測速截面處的流速，而準則式中的流速是指流過試驗管最窄截面的流速，由連續(xù)性方程：式中：測速處流體流速m/s試驗管最窄截面處流速m/s 測速處流道截面積m2 放試管處流道截面積m 試驗管有效管長：L=450mm實驗管外徑：d=38mm （實測）試驗管數(shù)（3）計算定性溫度 ，并查出空氣有關物性參數(shù)。（4）確定準則方程式將數(shù)據(jù)代入準則式，并分別求得幾組準則數(shù)，即可在為縱坐標和以 為橫坐標的常用對數(shù)坐標圖上，得到一些實驗點，然后用直線連接起來，因lgC為直線的截距，n為直線的斜率，取直線上的兩點，即可得：即可得出具體的準則方程式強迫對流管簇管外換熱系數(shù)測定試驗數(shù)據(jù)記錄

14、整理表見附表二。注意： 為減少取點誤差起見，可多取幾對點，得出多對C，n值，然后取其平均值作為最后的C，n值。六、實驗報告要求1統(tǒng)一采用學校規(guī)定的實驗報告書書寫格式。2報告中要寫清實驗目的和要求、實驗原理、實驗步驟。3采用附表進行實驗原始數(shù)據(jù)記錄，并對數(shù)據(jù)整理。4在t坐標圖上分別描繪出相應于三個平均溫度下的導熱系數(shù)。5做出 圖線。6對數(shù)據(jù)進行誤差分析。7可分成多個實驗報告。8其它事項由實驗指導老師根據(jù)具體情況進行要求。七、思考題1何謂導熱系數(shù)？何謂換熱系數(shù)？何謂傳熱系數(shù)？它們的單位各是什么？哪些是物性參數(shù)？哪些與過程有關？2對于無限大平板內(nèi)的一維穩(wěn)態(tài)導熱問題，試說明在三類邊界條件中，兩側(cè)面邊界

15、條件的哪些組合可以使平板中的溫度場獲得確定的解？3平板導熱系數(shù)實驗測定過程中，如果硅整流電源的電壓和電流數(shù)值調(diào)得過高會出現(xiàn)什么問題？4當一個由若干個有量綱的物理量所組成的實驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)目較少的無量綱量后，這個實驗數(shù)據(jù)的性質(zhì)與地位起了什么變化？5如果以后你工作中遇到一種對流換熱現(xiàn)象需要作計算，但你以前并未見過，你該怎么辦？當你決定從參考資料中去尋找換熱特征數(shù)方程式時，你應當注意些什么？6就對流現(xiàn)象而言，外掠單管的流動與管道內(nèi)的流動有什么不同？附圖一 平板法測定材料導熱系數(shù)實驗裝置簡圖附圖二、圖三附表一 平板法測定材料導熱系數(shù)實驗數(shù)據(jù)記錄和計算表材料名稱： 試材尺寸： 面積： 厚度： 次數(shù)項目123平均123平均123平均熱源板平均溫度T01mvT02mvT03mvT04mv冷面平均溫 度T07mvT08mvt2 =(t07 + t08)/2溫差試件均溫tm=(t1+t2)/2電流I（A）電壓U9（V）U10（V）U=（U9+U10）/2熱流量=Q=IU（W）導熱系實驗者： 姓名： 班級：