傳熱學(xué)實驗指導(dǎo)書

1、傳熱學(xué)實驗指導(dǎo)書姓名：學(xué)號：專業(yè)班級:環(huán)境與能源工程學(xué)院實驗中心熱電偶的制作與標(biāo)定一、實驗?zāi)康?、掌握鎳鉻康銅熱電偶制作方法；2、掌握熱電偶的標(biāo)定方法。二、實驗設(shè)備及原理1、焊接設(shè)備：熱電偶點焊機；2、標(biāo)定設(shè)備：熱電偶校驗儀；3、其他設(shè)備：墨鏡、鉗子、剪刀、細砂紙、米尺等；4、熱電偶絲：00.2、00.5熱電偶用康銅線、鎳鉻絲線。熱電偶是工業(yè)上最常用的一種測溫元件，它是由兩種不同的導(dǎo)體絲A和B,焊接組成一個閉合回路而構(gòu)成的。其測溫原理是基于1821年塞貝克發(fā)現(xiàn)的熱電現(xiàn)象，當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B連接在一起構(gòu)成一個閉合回路，此時如果兩個接點的溫度不同時（如t>t。），那么在回路中就會產(chǎn)生熱電

2、動勢，如圖1所示。也就是說，熱電偶是通過測量熱電動勢來實現(xiàn)測溫的。A、B稱為熱偶絲，也稱熱電極。當(dāng)兩接點處于不同溫度時回路中就會產(chǎn)生熱電勢，放置在被測溫度為t的介質(zhì)中的接頭，稱為測量端（工作端）；另一接頭to成為參考端（或自由端）。常用的賤金屬熱電偶材料有：銅-康銅（T型）（常用于-200°C到+400°C測溫）鎳鉻-康銅（E型）（常用于-200C到+900C測溫）鎳鉻-鎳硅或鎳鋁（K型）（常用于0C到+1300C測溫）本實驗采用鎳鉻-康銅（E型）熱電偶。使用時應(yīng)根據(jù)測溫范圍和工作條件選擇偶絲材料和線徑。熱電偶長度應(yīng)根據(jù)工作端在介質(zhì)中的插入深度來決定，通常為3502000毫

3、米。三、實驗步驟熱電偶的制作熱電偶測量端的焊接方法采用電弧焊，該方法是利用高溫電弧將熱電偶測量端熔化成球狀。常用的有交流電弧焊和直流電弧焊兩種。交流電弧焊的裝置如圖2所示，這種專職一般9用來焊接賤金屬熱電偶。圖2交流電弧焊裝置制作步驟如下：1、焊接前仔細去掉熱偶絲靠近待焊端部的絕緣層，然后將這兩根被焊的熱電極絞成如圖3的麻花狀或兩頂端并齊。2、調(diào)節(jié)變壓器使輸出電壓為24-30伏的交流電源作為焊接電源。3、戴上墨鏡和手套，用金屬夾子（銅板電極）夾住待焊端作為一個電極，用炭棒（石墨電極）作為另一個電極，當(dāng)炭棒與被焊熱電偶絲頂端接近時，產(chǎn)生的瞬間電弧將兩根熱偶頂部熔接在一起而形成一個小圓球，用砂紙將

4、小圓球表面打磨光滑。注意：制作合格的熱電偶標(biāo)準(zhǔn)是，焊接牢固，具有金屬光澤結(jié)點表面圓滑，無玷污變質(zhì)和裂紋，焊點直徑約為偶絲直徑的兩倍，電極不允許有折損、扭曲現(xiàn)象。熱電偶的標(biāo)定本實驗標(biāo)定方法采用比較法標(biāo)定，裝置控制面板如圖示。標(biāo)定步驟如下：1、將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶接在面板的標(biāo)準(zhǔn)接線柱上，待測熱電偶接在待測接線柱上。2、檢查儀表箱前面板上各開關(guān)的初始狀態(tài)。把電源開關(guān)扳向下方斷電狀態(tài)，恒溫調(diào)節(jié)器旋鈕至左方，溫度調(diào)節(jié)儀表上的檢控溫度設(shè)在150°C。3、調(diào)節(jié)恒溫右旋（恒溫調(diào)節(jié)加熱電壓調(diào)節(jié)）鈕，管爐供電，并在指示儀表上指出。該旋鈕的調(diào)壓范圍為0220V。注意：對爐體的預(yù)熱升溫和初始升溫應(yīng)不超過40V,以利

5、用爐體的使用壽命。可根據(jù)實驗要求的恒溫溫度進行反復(fù)調(diào)節(jié)，直至穩(wěn)定在需要的溫度上。絕對穩(wěn)定是不易控制的，可在基本穩(wěn)定的條件下快速測定。4、檢測在溫度基本穩(wěn)定的條件下，取等時間間隔，按照標(biāo)準(zhǔn)f被檢1被檢2,被檢2被檢1一標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)次序讀數(shù)。要求循環(huán)測讀兩次，每個電偶讀得四次讀數(shù)。將測得的數(shù)據(jù)記錄在記錄表中。ICT-101或iir101片期號t©電覽酎QQ0000電壓謂蹩S*斥喪ftifl：®話雜檢盤2滋電屬悝掘密迢圳冇帥箱畫憎系贏四、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理標(biāo)定記錄表:循環(huán)次序標(biāo)準(zhǔn)檢驗1檢驗2標(biāo)準(zhǔn)f被檢1被檢2被檢2被檢1標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)f被檢1被檢2被檢2被檢1標(biāo)準(zhǔn)平均值首先計算標(biāo)準(zhǔn)電偶和

6、待檢電偶的算術(shù)平均值,如果待檢電偶的算術(shù)平均值與算標(biāo)準(zhǔn)電偶的算術(shù)平均值的誤差在2.5°C之內(nèi)，則可認為合格。五、實驗報告要求1、說明熱電偶的測溫原理；2、簡述本次實驗熱電偶的制作與標(biāo)定方法；3、處理實驗記錄數(shù)據(jù)，判斷自己制作的熱電偶是否合格，若不合格，分析其原因?？諝鈾M掠單圓管表面時的放熱實驗、實驗?zāi)康?、測定空氣橫向流過單圓管表面時的放熱系數(shù)。2、根據(jù)對受迫運動放熱過程的相似分析，將實驗數(shù)據(jù)整理成準(zhǔn)則方程式。3、通過相似原理的實際應(yīng)用，加深對相似原理的了解。4、學(xué)習(xí)用熱電偶測量溫度用電壓電流測量功率及用比托管測流量的實驗技術(shù)。二、實驗原理根據(jù)牛頓公式物體表面對流放熱量Qc可用下列計

7、算:Q(tt)-Fw(1)cwf式中：t圓管表面平均溫度°C；wtf實驗段前后流體的平均溫度C；F圓管表面積m2,F=兀d-1；d、l分別為圓管的直徑和長度;a對流放熱系數(shù)；w/m2C因此：Qa=cw/m2C(2)(tt)兀*d1wf根據(jù)相似理論,強迫流動時放熱現(xiàn)象的準(zhǔn)則方程式為：根據(jù)實驗研究可知,流體橫向流過單圓管表面時,一般可將準(zhǔn)則方程式整理成下列形式：(p0.253)N=C-Rn-P0.37-I-fufefrIP丿rw上式中定性溫度為流體平均溫度tf,定型尺寸為管子直徑、流速采用流體過圓管時最窄處的流速。P)-fP丿ru0.25是考慮熱流方向而附加的修正項。對于空氣卩常數(shù)，故準(zhǔn)

8、則方程式為:r4)N=c'-Rnufef式中常數(shù)C'和n可由本實驗確定。本實驗是在空氣被加熱的情況下進行的。圓管內(nèi)加熱器所產(chǎn)生的熱量Q是以對流換熱Q和輻射Q方式傳出的。cR因此：Q=QQCR圓管表面的輻射放熱量號可由下式計算:RQR(T¥1100丿W5)式中：&為圓管表面黑度，&=0.22；cb絕對黑體的輻射系數(shù),bc=5.67w/m2k4；bT、Tf分別為圓管表面和流體的平均絕對溫度，K。wf由以上分析可知，實驗的中心問題是必須測量以下幾個物理量：圓管放熱量Q；管壁溫度t；流體溫度tf管子直徑d,管子長度l和空氣流速u。wf三、實驗裝置如圖1，實驗裝

9、置主要由一簡單的風(fēng)洞和量熱器組成。風(fēng)洞是用有機玻璃制成的正方形流道尺寸為aXb(mm)。為了避免渦流的影響，風(fēng)道內(nèi)表面持光滑。當(dāng)風(fēng)機啟動后，室內(nèi)空氣經(jīng)過吸入口2被吸入風(fēng)洞內(nèi)。吸入口做成雙曲線形以保證進出口氣流平穩(wěn)并減少損失，并且使進口處氣流速度分布均勻。在吸入口后連接入口段和工作段。在工作段中有被研究的圓管(同時也是量熱器)、加熱前流體的測溫?zé)犭娕?、加熱后流體的測溫?zé)犭娕肌Ｔ诠ぷ鞫沃笥幸恢y量流速的畢托管、插板閥、引風(fēng)機。插板閥用以調(diào)節(jié)流量。為減少風(fēng)機振動對風(fēng)洞內(nèi)的速度場的影響，工作段之后的風(fēng)道用亞麻布軟管與風(fēng)機相接。風(fēng)洞內(nèi)畢托管與差壓變送器相連接后可用來測量流速。工作段前后的空氣溫度，即t

10、護tf2，用熱電偶來測量。圖1單圓管表面橫向強迫對流放熱實驗裝置示意圖1風(fēng)機固定架2風(fēng)機3風(fēng)量調(diào)節(jié)手輪4.過渡段5比托管6測速段7.過渡段8.t測溫段9測試管段10.t測溫段11.整流進風(fēng)口12支架13儀表箱f1fa圖2量熱器簡圖1電源線2壓緊螺母3保護蓋4固定板5絕熱層6.絕熱層7銅管&絕緣層9加熱器量熱器用銅管做成，如圖2。管內(nèi)有電加熱器，用交流電加熱。電熱器所消耗的功率即是圓管表面所放出的熱量。圓管表面溫度tw用焊在管壁上的四對熱電偶測量。電路及測量w系統(tǒng)如圖3所示：圖3電路及測量系統(tǒng)示意圖1調(diào)壓器2.量熱器3.加熱器4測氣體溫度熱電偶5測銅管表面溫度熱電偶6.加熱管剖面7.差壓

11、傳感器&巡檢儀9.比托管10.差壓傳感器四、實驗步驟在熟悉實驗裝置后可把線路接好，調(diào)整好測量儀表，經(jīng)教師檢查許可后方可開始實驗，實驗步驟如下：1、先關(guān)閉插板閥，再合上風(fēng)機馬達的電源，使用風(fēng)機在空載下起動，然后根據(jù)需要開啟插板閥，以調(diào)節(jié)風(fēng)量。2、合上電加熱器電源，調(diào)節(jié)輸出電壓（不能超過150伏）在某一定工況下加熱。3、加熱約15分鐘后觀察各熱電偶的電勢直到穩(wěn)定為止，（壁面溫度在3分鐘內(nèi)保持讀數(shù)不變即認為到穩(wěn)定）然后用數(shù)字巡檢儀測量各點溫度值和壓差值。4、保持加熱器功率不變，調(diào)節(jié)插板閥改變風(fēng)量至另一數(shù)值重復(fù)步驟3。5、實驗中應(yīng)注意以下幾點：（1）正確調(diào)整使用比托管；（2）必須待風(fēng)機起動后再

12、合上加熱器電源而實驗結(jié)束時應(yīng)先停止加熱再停風(fēng)機。（3）實驗完畢應(yīng)經(jīng)教師檢查同意后方可離去。五、實驗數(shù)據(jù)記錄由前分析可知，實驗必須測量計算以下幾個物理量：流體溫度tf，管壁溫度t,空氣fw流速u和圓管放熱量Q。實驗數(shù)據(jù)記錄表如下：六、實驗數(shù)據(jù)整理1、平均放熱系數(shù)計算Q-QryF加.(6)(t-t)K-d-lLW/比wf式中：Q電加熱器所消耗的功率（W）Q-IU；U加熱器中的電壓降，（V）；I加熱器中的電流強度，（A）；d及l(fā)圓管的直徑及長度，（m）；本實驗臺，d-0.032m，l=0.45mQRR輻射放熱量，按式（5）計算。tW管壁的平均溫度（用每一對熱電偶所對應(yīng)溫度的平均值）C。tf流體的平均

13、溫度。C.2、努謝爾特準(zhǔn)則和雷諾準(zhǔn)則計算：7）NufadT8）ud式中：入為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，w/（mK）；v為空氣運動黏度，m2/s；a,d,u同上。其中流速u為風(fēng)洞工作段截面上的平均流速（即流體過圓管時最窄截面處的流速）。計算方法如下：（1）計算畢托管所在處流體的流速，通過差壓變送器測量出其動壓頭然后用下式進行計算：2£-APw=m/s（9）Pw流體通過比托管時比托管所在處流體的流速m/s。£畢托管修正系數(shù)，本實驗臺比托管為1.37。AP比托管所在處風(fēng)洞截面上測點動壓頭，單位Pa。P空氣密度。（2）根據(jù)連續(xù)性方程計算最窄截面處的速度U公式如下：10)F比托管所在截面及面積，

14、F=0.0531m2；Fb圓管所在最窄截面處的面積，F(xiàn)b=0.012m2。bb3、準(zhǔn)則方程式的整理：本實驗在不同工況下測量以上數(shù)值，得到四組數(shù)據(jù)。計算后計算后就有四組只值與Nfefuf值，表示在對數(shù)坐標(biāo)圖上（如圖4）就有四個點。這里用Y表示lgNf，用X表示lgRf，每一對Rf及嘰的值可以在圖上確定一點，將這ufefefuf些點連成一條直線，此直線的方程可以表示為：Y二A+nX即：lgN=lgc'+nlgRufef式中，lgc'=A切。圖4.確定參數(shù)之間關(guān)系的解法n=t9為直線和橫坐標(biāo)之間夾角g11用最小二乘法求得A和n,也就得到了c'和n,最終整理出準(zhǔn)則方程式。準(zhǔn)則方

15、程式的詳細數(shù)據(jù)整理方法見教材P139。七、實驗報告要求1、計算及整理實驗數(shù)據(jù),作圖并求出準(zhǔn)則方程式。2、對實驗結(jié)果進行分析討論。中溫輻射時物體黑度的測試一、實驗?zāi)康挠帽容^法，定性地測量中溫輻射時物體黑度&。二、實驗原理由n個物體組成的輻射換熱系統(tǒng)中，利用凈輻射法，可以求物體I的純換熱量Qnet.iQ=Q-Qnetiabsiei嵐Jk)dFieff,kikk=iFke-£EFibii(1)15式中：Qnet.inet.ii面的凈輻射換熱量。£ii面的黑度。Qabs.iabs.ii面從其他表面的吸熱量。Eb.ii面的輻射力。Qe.ie.ii面本身的輻射熱量。aii面的吸

16、收率。巾(dk)ik面對i面的角系數(shù)。Fii面的面積。Eeff.kk面有效的輻射力。如圖1，根據(jù)本實驗的設(shè)備情況，可以認為傳導(dǎo)圓筒2為黑體。熱源1、傳導(dǎo)圓筒2和待測物體（受體）3它們表面上的溫度均勻（圖1）。23圖1輻射換熱簡圖1熱源2傳導(dǎo)圓筒3待測物體因此，公式（1）可寫成：Qnet.3=a3（Eb.1F11.3+Eb.2F2屮2.3卜*3Eb.3F3因為F=F3；a3=83；屮3.2=屮1.2。又根據(jù)角系數(shù)的互換性F2®2.3=F3®3.2，貝U：q3=Qnet./F3-£3(Eb.1屮1.3+Eb.21.2)£3Eb.3=£3(Eb.11

17、.3+艸1.2Eb.3)由于受3與環(huán)境主要以自然對流方程換熱，因此：2）q3=ad(t3tf)3）式中：a豪換熱系數(shù)t3待測物體（受體）溫度tf環(huán)境溫度由（2）、（3）式得：a(tt)d3fE屮+E屮Eb11.3b21.2b34）當(dāng)熱源1和黑體圓筒2的表面溫度一致時，Eb1=Eb2，并考慮至U，體系1,2,3為封閉b1b2系統(tǒng)，貝：屮1.3+1.2=1由此，（4）式可寫成：a(td3Eb1b3a(tt)d3L_a(T4T4)135）式中o稱為斯蒂芬一玻爾茨曼常數(shù)，其值為5.7X10-8w/m2k4。對不同待測物體（受體）a和b，應(yīng)用公式（5）其黑度為：8a(TT)8=r3afaa(T4T4)1

18、a3a8a(TT)8=b3bfba(T4T4)1b3b并且認為其對流換熱系數(shù)相等，即a=a=a，則：abd8TTT4T46)a二3af1b3b8TTT4T4b3bf1a3a當(dāng)b為黑體時，£b1,(6)式可寫成：bTTT4T48二3af1b3baTTT4T43bf1a3a三、實驗裝置實驗裝置簡圖如圖2所示：圖2實驗裝置簡圖5、導(dǎo)軌6、熱11、接線柱12、測1、調(diào)壓器2、測溫轉(zhuǎn)換開關(guān)3、數(shù)顯溫度計4、接線柱源7、傳導(dǎo)體8、受體9、導(dǎo)軌支架10、熱源電壓表溫接線柱（紅為+）13、電源開關(guān)熱源腔體有一個測溫電偶，傳導(dǎo)腔體有二個熱電偶，受體有一個熱電偶，它們都可過琴鍵轉(zhuǎn)換開關(guān)來切換測讀。四、實

19、驗方法和步驟本實驗儀器用比較法定性地測定物體的黑度，具體方法是通過對三組加熱器電壓的調(diào)整（熱源一組，傳導(dǎo)體二組），使熱源和傳導(dǎo)體的測量點恒定在同一溫度上，然后分別將“待測”（受體為待測物體，具有原來的表面狀態(tài)）和“黑體”（受體仍為待測物體，但表面薰黑）兩種狀態(tài)的受體在恒溫條件下，測出受到輻射后的溫度，就可按公式計算出待測物體的黑度。具體步驟如下：1、熱源腔體和受體腔體（使用具有原來表面狀態(tài)的物體作為受體）靠緊傳導(dǎo)體。2、用導(dǎo)線將儀器上的測溫接線柱12與電位差計（用戶自備）上的“未知”接線柱“+”“-”極連接好。按電位差計使用方法進行調(diào)零、校準(zhǔn)并選好量程（XI）。3、結(jié)通電源，調(diào)整熱源、傳導(dǎo)左、傳導(dǎo)右的調(diào)溫旋鈕，使其相應(yīng)的電壓表指針調(diào)至紅點位置。受熱約40分鐘左右，通過測溫轉(zhuǎn)換開關(guān)測試熱源、傳