傳熱學實驗導書

《傳熱學》實驗指導書工程熱物理教研室編華北電力大學（北京）二00六年九月實驗總體目標通過本實驗，加深學生對傳熱學基本原理的理解，掌握相關(guān)的測量方法，熟練使用相關(guān)的測量儀表，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力。適用專業(yè)熱能與動力工程、建筑環(huán)境與設備工程、核科學與核工程先修課程高等數(shù)學、大學物理實驗課時分配實驗項目學時實驗一非穩(wěn)態(tài)（準穩(wěn)態(tài)）法測量材料導熱性能實驗2實驗二強迫對流單管外放熱系數(shù)測定試驗2實驗三熱管換熱器實驗2實驗環(huán)境（對實驗室、機房、服務器、打印機、投影機、網(wǎng)絡設備等配置及數(shù)量要求）實驗用器材及水電等齊全，布局合理，實驗臺滿足2?3人一組，能夠滿足實驗的要求。在醒目的地方有實驗原理的說明，便于教師講解及學生熟悉實驗的基本原理和方法。實驗總體要求每一學期前兩周下達實驗教學任務，實驗教師按照實驗任務準備相應的實驗設備，實驗期間要求學生嚴格遵守實驗室的各項規(guī)章制度。學生要提前預習實驗內(nèi)容，完成實驗后按照規(guī)定格式寫好實驗報告，交給實驗指導教師，實驗指導教師根據(jù)實驗課上的表現(xiàn)和實驗報告給出成績評定結(jié)果。本實驗的重點、難點及教學方法建議傳熱學實驗的重點是非穩(wěn)態(tài)（準穩(wěn)態(tài)）法測量材料導熱性能實驗、強迫對流單管外放熱系數(shù)測定試驗、熱管換熱器實驗，這三個實驗都是綜合性實驗，涉及到傳熱學的導熱基本理論，單相對流換熱，熱邊界層理論，相變換熱理論，相似原理等方面的內(nèi)容，實驗儀器涉及到熱電耦的使用及補償方法，比托管的使用，電位差計的使用等等，需要學生對傳熱學的基本內(nèi)容和基本概念有清楚的了解。難點是準穩(wěn)態(tài)法測量材料的熱性能實驗時的測量時間不好把握，單管外放熱系數(shù)實驗中實驗數(shù)據(jù)的整理中存在著一些技巧，另外如何調(diào)節(jié)熱管的加熱功率使之得到更好的熱管性能曲線也存在一些技巧。教學方法：學生提前預習，做實驗之前老師提問；學生仔細觀察指導教師的演示；實驗室對學生開放，一次沒有做成功，或者想更好地掌握實驗技巧的學生，可以跟指導教師預約時間另做。目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"實驗一、非穩(wěn)態(tài)（準穩(wěn)態(tài)）法測量材料導熱性能實驗3\o"CurrentDocument"實驗二強迫對流單管外放熱系數(shù)測定試驗7\o"CurrentDocument"實驗三熱管換熱器實驗13實驗一非穩(wěn)態(tài)（準穩(wěn)態(tài)）法測量材料導熱性能實驗一、實驗目的了解準穩(wěn)態(tài)法測量絕熱材料導熱系數(shù)、比熱容的基本原理和構(gòu)思。掌握熱電耦的使用及其補償方法以及熱流的測試方法。掌握由實驗數(shù)據(jù)計算出導熱系數(shù)和比熱的方法。分析本實驗產(chǎn)生誤差的原因及減小誤差的可能途徑。二、實驗類型綜合性試驗三、實驗儀器實驗裝置如圖1-1所示，說明如下：圖1-1實驗裝置圖1）試件試件尺寸為100mmx100mmx5，共四塊，尺寸完全相同，5=10?16mm。每塊試件上卜面要平齊，表面要平整。圖1-2熱電耦布置圖2）加熱器采用高電阻康銅箔平面加熱器，康銅箔厚度僅為20Am，加上保護箔的絕緣薄膜，總共只有70gm。其電阻值穩(wěn)定，在0—100°C范圍內(nèi)幾乎不變。加熱器的面積和試件的端面積相同，也是100mmx100mm正方形。兩個加熱器的電阻值應盡量相同，相差應在0.1%以內(nèi)。絕熱層用導熱系數(shù)比試件小的材料作絕熱層，力求減少熱量通過，使試件1、4與絕熱層的接觸面接近絕熱。熱電偶利用熱電偶測量試件2兩面的溫差及試件2、3接觸面中心處的溫生速率，熱電偶由0.1mm的康銅絲制成。實驗時，將四個試件齊迭放在一起，分別在試件1和2及試件3和4之間放入加熱器1和2,試件和加熱器要對齊。熱電偶的放置如圖1-2,熱電偶測溫頭要放在試件中心部位。放好絕熱層后，適當加以壓力，以保持各試件之間接觸良好。四、實驗原理本實驗是根據(jù)第二類邊界條件，無限大平板的導熱問題來設計的。設平板厚度為2&初始溫度為饑平板兩面受恒定的熱流密度qc均勻加熱(見圖1-3)。求任何瞬間沿平板厚度方向的溫度分布t(x，t)。導熱微分方程式、初始條件和第二類邊界條件如下：圖1-3第二類邊界條件無限大平板導熱的物理模型dt(x,t)d21(x,t)=a3tdx2T=0時，t-10x=0處，當=0dxx=+5處，—k—=qTOC\o"1-5"\h\zdxc方程的解為：,、qaT52—3x2。好，一、2,x、,t(x，T)—10=[-^——6g—+5丈(—1)n+1—cos(^5)exp(—旦2F0)](1-1)\o"CurrentDocument"n=1n式中：—時間(s)；入一平板的導熱系數(shù)(W/m-C)；a一平板的熱擴散率(m2/s)；R〃—n兀atn=1，2，3，；Fo—g2，傅立葉準則；t0一初始溫度(C)；q一沿x方向從端面向平板

加熱的恒定熱流密度（W/m2）；隨著時間t的延長，F(xiàn)o數(shù)變大，式（1-1）中級數(shù)和項愈小。當Fo>0.5時，級數(shù)和項變得很小，可以忽略，式（1-1）變成：t(x,t)-10（t(x,t)-10在準態(tài)時，平板中心面x=0處的溫度為:t(0具t(0具)-108r(————)(826)(1-3)平板加熱面x=5處為:(1-4)(1-5)(1-6)t(8具)—t0(1-4)(1-5)(1-6)此兩面的溫差為:At=t（8具）—t（0具）=1-qC82X如已知qc和5,再測出At，就可以求出導熱系數(shù):X=咬2At實際上，無限大平板是無法實現(xiàn)的，實驗總是用有限尺寸的試件。一般可認為，試件的橫向尺寸為厚度的6倍以上時，兩側(cè)散熱試件中心的溫度影響可以忽略不計。試件兩端面中心處的溫度差就等于無限大平板兩端面的溫度差。根據(jù)勢平衡原理，在準穩(wěn)態(tài)時，有下列關(guān)系：qF=CFp8圭dt式中：F一試件的橫截面（m2）；C—試件的比熱（J/kg°C）；P—試件的密度（kg/m3）；dT一準穩(wěn)態(tài)時的溫升速率（C/s）；由上式可得比熱:c=-^dtp8——dT由上式可得比熱:實驗時，丁以試件中心處為準。dT五、實驗內(nèi)容和要求用卡尺測量試件的尺寸，得到面積F和厚度5。按圖1-1和圖1-2放好試件、加熱器和熱電偶，接好電源，接通穩(wěn)壓器，并將穩(wěn)壓器預熱10分鐘（注：此時開關(guān)K是打開的）。接好熱點偶與電位差計及轉(zhuǎn)換開關(guān)的導線。校對電位差計的工作電流，然后，將測量轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至“1”測出試件在加熱前的溫度，此溫度應等于室溫。再將轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至‘2”，測出試件兩面的溫差，此時，應指示為零熱電勢，測量出示值差最大不得超過0.004mv,即相應的初始溫度差不得超過0.1Co接通加熱器開關(guān)，給加熱器通以恒定電流（試驗過程中，電流不容許變化。此值事先經(jīng)實驗確定）。同時，啟動秒表，每隔一分鐘測讀一個數(shù)值。奇數(shù)值時刻（1分，3分，5分……）測“2”端熱點勢的毫伏數(shù)，偶數(shù)值時刻（2分，4分，6分……），測“1”端熱點勢的毫伏數(shù)。這樣，經(jīng)過一段時間后（隨所測材料而不同，一般為10?20分鐘），系統(tǒng)進入準穩(wěn)狀態(tài)，“2”端熱點勢的數(shù)值（即式（1-5）中的溫差△「）幾乎保持不變。并計下加熱器的電源值。第一次實驗結(jié)束，將加熱器開關(guān)K切斷，取下試件及加熱器，用電扇將加熱器吹涼，待其和室溫平衡后才能繼續(xù)作下一次實驗。但試件不能連續(xù)做實驗，必須經(jīng)過四小時以上放置，使其冷卻至與室溫平衡后，才能再作下一次實驗。實驗全部結(jié)束后，必須切斷電源，一切恢復原狀。實驗數(shù)據(jù)記錄室溫t0：[°C]加熱器電流I：[A]加熱器電壓U：[V]試件截面尺寸F：0.00126[們試件厚度5：0.009[m]試件材料密度P=1200[kg/m3]熱流密度qc：[w/E]時間[分]0123456熱點溫度[C]“1”“2”時間[分]78910111213熱點溫度[C]“1”“2”求出：熱流密度qc[W/E]準穩(wěn)態(tài)時I的溫差金（平均值）[C]dt準穩(wěn)態(tài)時的溫升速率丁[C/小時]d8.做好實驗數(shù)據(jù)的進一步分析和整理工作，并對測量誤差進行分析。六、注意事項實驗中要切記對熱電偶冷端進行零點補償，要對電位差計進行校準。輸入電加熱器的電壓不得超過220V，電加熱器最高溫度不得超過100C。停止實驗時，應先切斷電熱器。連續(xù)試驗時要確保加熱器和試樣已冷卻到室溫并已平衡。七、思考題怎樣判斷加熱過程已經(jīng)達到了準穩(wěn)態(tài)？實驗中為什么要把四塊試樣疊放在一起？如果要測量導電體材料的導熱系數(shù)和比熱，是否可以采用準穩(wěn)態(tài)法，如果可以如何改進和設計實驗？實驗中引起的測量誤差由哪些，還可以采取哪些手段來進一步減少測量誤差？實驗二強迫對流單管外放熱系數(shù)測定試驗一、實驗目的測定空氣橫向流過單圓管表面時的放熱系數(shù)。根據(jù)對受迫運動放熱過程的相似分析，將實驗數(shù)據(jù)整理成準則方程式。通過相似原理的實際應用，加深對相似原理的了解。學習用熱電偶測量溫度，用電壓電流測量功率及用比托管測流量的實驗技術(shù)。計算機在測試技術(shù)方面的應用。二、實驗類型綜合性實驗三、實驗儀器圖2-1為空氣橫向流過單圓管表面時的放熱實驗裝置。圖2-1單圓管表面橫向強迫對流放熱實驗裝置示意圖1-離心式風機；2-自動風機風門；3-軟連接；4-畢托管；5-后測溫點；6-后測靜壓點；7-紫銅管試件；8-前測靜壓點；9-前測溫點；10-整流珊；11-進風喇叭口；12-角鐵支架；13-實驗臺；14-畢托管差壓傳感器；15-加熱開關(guān)；16-加熱調(diào)節(jié)；17-風門開關(guān)（上開下關(guān)）；18-風機開關(guān)；19-加熱電流表20-加熱電壓表；21-一十六位巡檢儀；22-試驗段阻力差壓傳感器實驗裝置主要由一簡單的風洞和量熱器組成。風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，風道內(nèi)表面持光滑。當風機啟動后，室內(nèi)空氣經(jīng)過吸入口2被吸入風洞內(nèi)。吸入口做成雙扭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）、加熱前流體的測溫熱電偶、加熱后流體的測溫熱電偶。在工作段之后有一支測量流速的比托管、插板閥、引風機。插板閥用以調(diào)節(jié)流量。為減少風機振動對風洞內(nèi)的速

度場的影響，工作段之后的風道用亞麻布軟管與風機相接。風洞內(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％、玲，用熱電偶來測量。456759圖2-2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；8-絕緣層；9-加熱器圖2-2為量熱器簡圖。量熱器用銅管做成，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。電路及測量系統(tǒng)如圖3-3所示：圖2-3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-測氣表面度熱電偶；6-加熱管剖面；7-差壓傳感器；8.巡檢儀；9-比托管；10-差壓傳感器四、實驗原理根據(jù)牛頓公式物體表面對流放熱量Qc可用下列計算：Q=a(t-tf)F[W](2-1)式中：《一圓管表面平均溫度[°C]；廠實驗段前后流體的平均溫度°C；F一圓管表面積[m2]，F(xiàn)=兀dl；d、l分別為圓管的直徑和長度；a一放熱系數(shù)；[w/m2.C]因此有

卜Qc(t-1)兀dl卜Qc(t-1)兀dl[W/m2,°C](2-2)根據(jù)相似理論，流體橫向流過單圓管表面時，一般可將準則方程式整理成下列形式:Nu=C-Ren-Pr0.38-(2-3)13廠kw；Nu=C-Ren-Pr0.38-(2-3)上式中定性溫度為流體平均溫度f,定型尺寸為管子直徑、流速采用流體流過圓管時最窄處的流速。是考慮不均勻物性場而附加的修正項。［河”是考慮不均勻物性場而附加的修正項。PrkPrw)對于空氣p,e常數(shù)，故準則方程式為:(2-4)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Qc和輻射Qr方式傳出的。因此："Q-Q.圓管表面的輻射放熱量qr可由下式計算：.F[W](2-5)［二kloo)"I。。j式中：8一為圓管表面黑度，對于銅管8=0.22；c廠絕對黑體的輻射系數(shù)c戶5.67［W/m2-K4］；Tw、T—分別為圓管表面和流體的平均絕對溫度，K。.F[W](2-5)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tw；流體溫度f；管子直徑d；管子長度l和空氣流速u。在不同工況下測量以上數(shù)值，將每一工況下Ref值與Nuf值表示在對數(shù)坐標圖上，如圖2-4所示。圖2-4確定參數(shù)之間關(guān)系的圖解法用Y表示ZgN勺用X表示ZgRq,每一對Ref及Nuf的值可以在圖上確定一點，將這些點連成一條直線，此直線的方程可以表示為：Y=A+nX即：lgN=lgC'+n1gRufef式中：lgC'=A；n=tan中，為直線和橫坐標之間夾角中的正切。因此：實驗曲線可用下面方程來表示：Nu=C'?RenC'=—fffRenfC'的值可以通過曲線上任一點處Nuf與Ref的數(shù)值計算出來。五、實驗內(nèi)容和要求按圖2-1接好線路，調(diào)整好測量儀表。先關(guān)閉插板閥，再合上風機馬達的電源，使風機在空載下起動，然后根據(jù)需要開啟插板閥，以調(diào)節(jié)風量，待穩(wěn)定后啟用計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。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。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）然后用計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量各熱電偶的電勢。保持加熱器功率不變，調(diào)節(jié)插板閥改變風量至另一數(shù)值重復步驟3,直至試驗結(jié)束。平均放熱系數(shù)的數(shù)值可用下式計算：a=一Q、Qr…[W/m2-°C]（2-6）（t-1§）兀-d-1式中：Q一電加熱器所消耗的功率（W）Q=IU；U一加熱器中的電壓降，（V）；I一加熱器中的電流強度，（A）；d及l(fā)一圓管的直徑及長度，（m）；QR一輻射放熱量，按式（2-5）計算；^一管壁的平均溫度（用每一對熱電偶所對應溫度的平均值）C；f——流體的平均溫度C。d,雷諾準則：R=中流速w為風洞工作段截面上的平均流速（即流體過圓管時最ev窄截面處的流速）。w羅為流體通過比托管時，比托管所在處流體的流速m/s。該流速是通過差壓變送器測量出其動壓頭然后用下式進行計算出的：W=\，牡[m/s]（2-7）CP\Pa式中：勿為比托管所在處風洞截面上測點動壓頭，單位Pa。實驗記錄1）基本數(shù)據(jù)：實驗設備號：第臺，所用熱電偶種類：測量儀表名稱：管子直徑：d=0.032m；管子長度：l=0.45m；圓管散熱面積：F=0.0452m2F=0.154X0.455=0.0555m2；Fb=0.155X0.085=0.013m2；比托管壓力修正系數(shù)&=1.37；流量修正系數(shù)a=1.172)實驗數(shù)據(jù)記錄表及實驗數(shù)據(jù)整理表。六、注意事項1.正確調(diào)整使用比托管；必須待風機起動后再合上加熱器電源而實驗結(jié)束時應先停止加熱再停風機；實驗完畢應經(jīng)教師檢查同意后方可離去。1,、整理數(shù)據(jù)時應注意，％應為加熱前后流體溫度的平均值，即$=(t+1),t,ff2f1faf1f相差很小，一般t,-tf1*0.4~0.8。。左右，因此tf的變化對空氣的物性參數(shù)影響不大，為整理數(shù)據(jù)方便起見選量熱器前空氣溫度f,做為定性溫度。應將速度換算成為圓管所在最窄截面處的速度，根據(jù)連續(xù)性方程：w-F=w-F式中：w羅一比托管所在截面之平均流速［m/s］；w一銅圓管所在處最窄面處的流速［m/s］；F，F(xiàn)b一一分別為風洞、比托管所在截面及圓管所在最窄截面處的面積［m2］。七、思考題整個系統(tǒng)是負壓運行的，是否可以采用正壓運行，有什么優(yōu)缺點？為什么必須待風機起動后再合上加熱器電源而實驗結(jié)束時應先停止加熱再停風機？如果不考慮輻射換熱的影響，將會有什么樣的結(jié)果？如果要測量外掠管束的換熱系數(shù)，如何設計和改進實驗？實驗中引起測量誤差的因素有哪些，怎樣減少測量誤差？

實驗三熱管換熱器實驗一、實驗目的了解熱管換熱器實驗臺的工作原理；熟悉熱管換熱器實驗臺的使用方法；掌握熱管換熱器換熱量Q和傳熱系數(shù)K的測量和計算方法；二、實驗類型綜合性試驗三、實驗儀器熱管換熱器實驗臺的結(jié)構(gòu)如下圖3-1所示。實驗臺由翅片管（整體繞制）、熱段風道、冷段風道、冷段和熱段風機、電加熱器、工況調(diào)節(jié)旋鈕、熱電偶、比托管測動壓、支架等組成。比=__=左一====_手圭三三===』一一=一三三三二三三二三=========二一UU圖3-1設備簡圖比=__=左一====_手圭三三===』一一=一三三三二三三二三=========二一UU熱段管中的電加熱器使空氣加熱，熱風經(jīng)熱段風道時，通過翅片管進行換熱和傳遞，從而使冷段風道的空氣溫度升高。利用風道中的熱電偶對冷、熱段的進出口溫度進行測量，利用比托管對冷、熱段的出口風速進行測量，由萬能信號輸入巡檢儀顯示儀顯示其數(shù)值，從而可以計算換熱器的換熱量Q和傳熱系數(shù)K。試驗臺參數(shù)如下：冷段出口內(nèi)徑：D=80mm；冷段翅片管處斷面尺寸160mmx170mm；熱段出口內(nèi)徑：D=80mm；熱段翅片管處斷面尺寸160mmx170mm；冷段傳熱表面參數(shù)：翅片管長160mm；鋼管直徑21mm；翅片直徑40mm；翅片個數(shù)57個；翅片管數(shù)量8根；傳熱面積：0.42m2。熱段傳熱表面參數(shù)：翅片管長160mm；鋼管直徑21mm；翅片直徑40mm；翅片個數(shù)59個；翅片管數(shù)量8根；傳熱面積：0.43m2。加熱功率：1500W；比托管修正系數(shù)熱端：動壓修正系數(shù)^=0.845；流量修正系數(shù)：a=0.925冷端：動壓修正系數(shù)^=0.943；流量修正系數(shù)：a=0.980注：如對測數(shù)據(jù)要求較高，最好比托管修正系數(shù)應每年用風速儀進行校正。四、實驗內(nèi)容和要求連接冷段和冷段熱電偶，壓差傳感器與比托管的連接膠管；接通