传热学实验指导书

传热学实验指导书姓名：学号：专业班级：环境与能源工程学院实验中心热电偶的制作与标定一、实验目的1、掌握镍铬—康铜热电偶制作方法；2、掌握热电偶的标定方法。1二、实验设备及原理1、焊接设备：热电偶点焊机；2、标定设备：热电偶校验仪；3、其他设备：墨镜、钳子、剪刀、细砂纸、米尺等；4、热电偶丝：0.2、0.5热电偶用康铜线、镍铬丝线。热电偶是工业上最常用的一种测温元件，它是由两种不同的导体丝A和B，焊接组成一个闭合回路而构成的。其测温原理是基于1821年塞贝克发现的热电现象，当两种不同的导体A和B连接在一起构成一个闭合回路，此时如果两个接点的温度不同时（如t＞tO），那么在回路中就会产生热电动势，如图1所示。也就是说，热电偶是通过测量热电动势来实现测温的。图1电热偶原理图A、B称为热偶丝，也称热电极。当两接点处于不同温度时回路中就会产生热电势，放置在被测温度为t的介质中的接头，称为测量端（工作端）；另一接头t0成为参考端（或自由端）。常用的贱金属热电偶材料有：铜-康铜（T型）（常用于-200℃到+400℃测温）镍铬-康铜（E型）（常用于-200℃到+900℃测温）镍铬-镍硅或镍铝（K型）（常用于0℃到+1300℃测温）本实验采用镍铬-康铜（E型）热电偶。使用时应根据测温范围和工作条件选择偶丝材料和线径。热电偶长度应根据工作端在介质中的插入深度来决定，通常为350～2000毫米。三、实验步骤热电偶的制作热电偶测量端的焊接方法采用电弧焊，该方法是利用高温电弧将热电偶测量端熔化成球状。常用的有交流电弧焊和直流电弧焊两种。交流电弧焊的装置如图2所示，这种专职一般用来焊接贱金属热电偶。2图2交流电弧焊装置制作步骤如下：1、焊接前仔细去掉热偶丝靠近待焊端部的绝缘层，然后将这两根被焊的热电极绞成如图3的麻花状或两顶端并齐。图3热电极处理2、调节变压器使输出电压为24-30伏的交流电源作为焊接电源。3、戴上墨镜和手套，用金属夹子（铜板电极）夹住待焊端作为一个电极，用炭棒（石墨电极）作为另一个电极，当炭棒与被焊热电偶丝顶端接近时，产生的瞬间电弧将两根热偶顶部熔接在一起而形成一个小圆球，用砂纸将小圆球表面打磨光滑。注意：制作合格的热电偶标准是，焊接牢固，具有金属光泽结点表面圆滑，无玷污变质和裂纹，焊点直径约为偶丝直径的两倍，电极不允许有折损、扭曲现象。热电偶的标定本实验标定方法采用比较法标定，装置控制面板如图示。标定步骤如下：1、将标准热电偶接在面板的标准接线柱上，待测热电偶接在待测接线柱上。2、检查仪表箱前面板上各开关的初始状态。把电源开关扳向下方断电状态，恒温调节器旋钮至左方，温度调节仪表上的检控温度设在150℃。3、调节恒温右旋(恒温调节加热电压调节)钮，管炉供电，并在指示仪表上指出。该旋钮的调压范围为0～220V。注意：对炉体的预热升温和初始升温应不超过40V，以利用炉体的使用寿命。可根据实验要求的恒温温度进行反复调节，直至稳定在需要的温度上。绝对稳定是不易控制的，可在基本稳定的条件下快速测定。34、检测在温度基本稳定的条件下，取等时间间隔，按照标准→被检1→被检2，被检2→被检1→标准的循环次序读数。要求循环测读两次，每个电偶读得四次读数。将测得的数据记录在记录表中。四、实验数据记录及处理标定记录表：循环次序标准检验1检验2标准→被检1→被检2被检2→被检1→标准标准→被检1→被检2被检2→被检1→标准平均值首先计算标准电偶和待检电偶的算术平均值，如果待检电偶的算术平均值与算标准电偶的算术平均值的误差在2.5℃之内，则可认为合格。五、实验报告要求1、说明热电偶的测温原理；2、简述本次实验热电偶的制作与标定方法；3、处理实验记录数据，判断自己制作的热电偶是否合格，若不合格，分析其原因。4空气横掠单圆管表面时的放热实验一、实验目的1、测定空气横向流过单圆管表面时的放热系数。2、根据对受迫运动放热过程的相似分析，将实验数据整理成准则方程式。3、通过相似原理的实际应用，加深对相似原理的了解。4、学习用热电偶测量温度用电压电流测量功率及用比托管测流量的实验技术。二、实验原理根据牛顿公式物体表面对流放热量Qc可用下列计算：FttQfwc)([w]（1）式中：tw——圆管表面平均温度[℃]；tf——实验段前后流体的平均温度[℃]；F——圆管表面积[m2]，ldF；d、l分别为圆管的直径和长度；α——对流放热系数；[w/m2·℃]因此：ldttQfwc)([w/m2·℃]（2）根据相似理论，强迫流动时放热现象的准则方程式为：根据实验研究可知，流体横向流过单圆管表面时，一般可将准则方程式整理成下列形式：25.037.0rwrfrnefufPPPRCN（3）上式中定性温度为流体平均温度tf，定型尺寸为管子直径、流速采用流体过圆管时最窄处的流速。25.0rurfPP是考虑热流方向而附加的修正项。对于空气Pr≈常数，故准则方程式为：nefufRcN'（4）式中常数C'和n可由本实验确定。本实验是在空气被加热的情况下进行的。圆管内加热器所产生的热量Q是以对流换热Qc和辐射QR方式传出的。因此：RCQQQ圆管表面的辐射放热量QR可由下式计算：5FTTcQfwbR44100100[W]（5）式中：ε——为圆管表面黑度，ε=0.22；cb——绝对黑体的辐射系数,cb=5.67[w/m2·k4]；Tw、Tf——分别为圆管表面和流体的平均绝对温度，K。由以上分析可知，实验的中心问题是必须测量以下几个物理量：圆管放热量Q；管壁温度tw；流体温度tf；管子直径d，管子长度l和空气流速u。三、实验装置如图1，实验装置主要由一简单的风洞和量热器组成。风洞是用有机玻璃制成的正方形流道[尺寸为a×b(mm)]。为了避免涡流的影响，风道内表面持光滑。当风机启动后，室内空气经过吸入口2被吸入风洞内。吸入口做成双曲线形以保证进出口气流平稳并减少损失，并且使进口处气流速度分布均匀。在吸入口后连接入口段和工作段。在工作段中有被研究的圆管（同时也是量热器）、加热前流体的测温热电偶、加热后流体的测温热电偶。在工作段之后有一支测量流速的毕托管、插板阀、引风机。插板阀用以调节流量。为减少风机振动对风洞内的速度场的影响，工作段之后的风道用亚麻布软管与风机相接。风洞内毕托管与差压变送器相连接后可用来测量流速。工作段前后的空气温度，即tf1、tf2，用热电偶来测量。AV图1.单圆管表面横向强迫对流放热实验装置示意图1.风机固定架2.风机3.风量调节手轮4.过渡段5.比托管6.测速段7.过渡段8.tf1测温段9.测试管段10.tfa测温段11.整流进风口12.支架13.仪表箱6图2量热器简图1.电源线2.压紧螺母3.保护盖4.固定板5.绝热层6.绝热层7.铜管8.绝缘层9.加热器量热器用铜管做成，如图2。管内有电加热器，用交流电加热。电热器所消耗的功率即是圆管表面所放出的热量。圆管表面温度tw用焊在管壁上的四对热电偶测量。电路及测量系统如图3所示：图3电路及测量系统示意图1.调压器2.量热器3.加热器4.测气体温度热电偶5.测铜管表面温度热电偶6.加热管剖面7.差压传感器8.巡检仪9.比托管10.差压传感器四、实验步骤在熟悉实验装置后可把线路接好，调整好测量仪表，经教师检查许可后方可开始实验，实验步骤如下：1、先关闭插板阀，再合上风机马达的电源，使用风机在空载下起动，然后根据需要开启插板阀，以调节风量。2、合上电加热器电源，调节输出电压（不能超过150伏）在某一定工况下加热。3、加热约15分钟后观察各热电偶的电势直到稳定为止，（壁面温度在3分钟内保持读数不变即认为到稳定）然后用数字巡检仪测量各点温度值和压差值。4、保持加热器功率不变，调节插板阀改变风量至另一数值重复步骤3。75、实验中应注意以下几点：（1）正确调整使用比托管；（2）必须待风机起动后再合上加热器电源而实验结束时应先停止加热再停风机。（3）实验完毕应经教师检查同意后方可离去。五、实验数据记录由前分析可知，实验必须测量计算以下几个物理量：流体温度tf，管壁温度tw，空气流速u和圆管放热量Q。实验数据记录表如下：序号1ft℃tw℃tf2℃比托管处温度℃铜管前后压差Pa比托管压差Pa环境温度℃电压V电流A12341234六、实验数据整理1、平均放热系数计算：ldttQQfwR)([w/m2·℃]（6）式中：Q——电加热器所消耗的功率（W）Q=IU；U——加热器中的电压降，（V）；I——加热器中的电流强度，（A）；d及l——圆管的直径及长度，(m)；本实验台，d=0.032m，l=0.45m；QR——辐射放热量，按式（5）计算。tw——管壁的平均温度（用每一对热电偶所对应温度的平均值）℃。tf——流体的平均温度℃.2、努谢尔特准则和雷诺准则计算：8dNuf（7）vudRe（8）式中：λ为空气导热系数，w/(m·K)；为空气运动黏度，m2/s；α，d，u同上。其中流速u为风洞工作段截面上的平均流速（即流体过圆管时最窄截面处的流速）。计算方法如下：（1）计算毕托管所在处流体的流速，通过差压变送器测量出其动压头然后用下式进行计算：Pw2[m/s]（9）w——流体通过比托管时比托管所在处流体的流速m/s。ε——毕托管修正系数，本实验台比托管为1.37。ΔP——比托管所在处风洞截面上测点动压头，单位Pa。Ρ——空气密度。（2）根据连续性方程计算最窄截面处的速度u，公式如下：bFuFw（10）F——比托管所在截面及面积，F=0.0531m2；Fb——圆管所在最窄截面处的面积，Fb=0.012m2。3、准则方程式的整理：本实验在不同工况下测量以上数值，得到四组数据。计算后计算后就有四组Ref值与Nuf值，表示在对数坐标图上（如图4）就有四个点。这里用Y表示lgNuf，用X表示lgRef，每一对Ref及Nuf的值可以在图上确定一点，将这些点连成一条直线，此直线的方程可以表示为：nXAY即：efufRncNlglglg式中，Aclggtn——为直线和横坐标之间夹角的正切。图4.确定参数之间关系的解法。。。。AYX。φ9用最小二乘法求得A和n，也就得到了c'和n，最终整理出准则方程式。准则方程式的详细数据整理方法见教材P139。七、实验报告要求1、计算及整理实验数据，作图并求出准则方程式。2、对实验结果进行分析讨论。中温辐射时物体黑度的测试一、实验目的用比较法，定性地测量中温辐射时物体黑度ε。二、实验原理由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.iiibinkFkikeffiieiabsinetFEdFdkEQQQk.1,...)((1)式中：Qnet.i——i面的净辐射换热量。εi——i面的黑度。Qabs.i——i面从其他表面的吸热量。Eb.i——i面的辐射力。Qe.i——i面本身的辐射热量。i——i面的吸收率。ψi(dk)——k面对i面的角系数。Fi——i面的面积。Eeff.k——k面有效的辐射力。如图1，根据本实验的设备情况，可以认为传导圆筒2为黑体。热源1、传导圆筒2和待测物体（受体）3它们表面上的温度均匀（图1）。23图1辐射换热简图1—热源2—传导圆筒3—待测物体10因此，公式（1）可写成：Qnet.3=3(Eb.1F1ψ1.3+Eb.2F2ψ2.3)-ε3Eb.3F3因为F1=F3；3=ε3；ψ3.2=ψ1.2。又根据角系数的互换性F2ψ2.3=F3ψ3.2，则：q3=Qnet.3/F3=ε3(Eb.1ψ1.3+Eb.2ψ1.2)－ε3Eb.3=ε3(Eb.1ψ1.3+Eb.2ψ1.2－Eb.3)（2）由于受3与环境主要以自然对流方程换热，因此：q3=d(t3－tf)（3）式中：d——换热系数t3——待测物体（受体）温度tf——环境温度由（2）、（3）式得：32.123.1133)(bb