传热学实验指导

传热学实验指导书热能与动力工程实验室2007年11月目录稳态平板法测定绝热材料导热系数实验台.............................3强迫对流管族管外换热系数测定..............................................7换热器综合试验台....................................................................12稳态平板法测定绝热材料导热系数实验台实验指导书一、实验目的⒈巩固和深化稳定导热过程的基本理论，学习用平板法测定绝热材料导热系数的实验方法和技能。⒉测定实验材料的导热系数。⒊确定实验材料导热系数与温度的关系。二、实验原理导热系数是表征材料导热能力的物理量。对于不同的材料，导热系数是各不相同的；对同一材料，导热系数还会随着温度、压力、湿度、物质的结构和重度等因素而变异。各种材料的导热系数都用实验方法来测定，如果要分别考虑不同因素的影响，就需要针对各种因素加以实验，往往不能在一种实验设备上进行。稳态平板法是一种应用一维稳态导热过程的基本原理来测定材料导热系数的方法，可以用来进行导热系数的测定实验，测定材料的导热系数及其和温度的关系。实验设备是根据在一维稳态情况下通过平板的导热量Q和平板两面的温差t∆成正比，和平板的厚度δ成反比，以及和导热系数λ成正比的关系来设计的。我们知道，通过薄壁平板（壁厚小于十分之一壁长和壁宽）的稳定导热量为FtQ⋅∆⋅=δλ[w]测试时，如果将平板两面的温差LRttt−=∆、平板厚度δ、垂直热流方向的导热面积F和通过平板的热流量Q测定以后，就可以根据下式得出导热系数：FtQ⋅∆⋅=δλW/(m•℃)需要指出，上式所得的导热系数是在当时的平均温度下材料的导热系数值，此平均温度为：)(21LRttt+=−[℃]在不同的温度和温差条件下测出相应的λ值。然后将λ值标在−−tλ坐标图内，就可以得出)(−=tfλ的关系曲线。三、实验装置及测量仪表稳态平板法测定绝热材料导热系数的实验装置如图1和图2所示。被实验材料做成二块方形薄壁平板试件，面积为300×300[mm2]，实际导热计算面积F为200×200[mm2]，板的厚度为δ[mm]。平板试件分别被夹紧在加热器的上下热面和上下水套的冷面之间。加热器的上下面和水套与试件的接触面都设有铜板，以使温度均匀。利用薄膜式加热片实现对上、下试件热面的加热，而t4t3主加热器试件2试件1冷却水进出口上水套下水套铜板铜板辅加热器冷却水进出口下水套热电偶t3主热电偶（下）t1主热电偶（上）t2上水套热电偶t4辅加热器2辅加热器3辅加热器1辅加热器4冷却水进出口（上）冷却水进出口（下）辅热电偶t6辅热电偶t5图1实验台主体示意图上下导热面积水套的冷却面是通过循环冷却水（或通以自来水）来实现。在中间200×200[mm2]部位上安设的加热器为主加热器。为了使主加热器的热量能够全部单向通过上下两个试件，并通过水套的冷水带走，在主加热器四周（即200×200[mm2]之外的四侧）设有四个辅助加热器（1～4），利用专用的温度跟踪控制器使主加热器以外的四周保持与中间主加热器的温度相一致，以免热流量向傍侧散失。主加热器的中心温度1t（或2t）和水套冷面的中心温度3t（或4t）用4个热电偶(埋没在铜板上)来测量；辅助加热器1和辅助加热器2的热面也分别设置两个辅热电偶5t和6t（埋没在铜板的相应位置上），其中一个辅热电偶5t）（或6t）接到温度跟踪控制器上，与主加热器中心接来的主热电偶2t（或1t）的温度讯号相比较，通过跟踪器使全部辅加热器都跟踪到与主加热器的温度相一致。而在实验进行时，可以通过热电偶1t（或2t）和热电偶3t（或4t）测量出一个试件的两个表面的中心温度。也可以再测量一个辅热电偶的温度，以便与主热电偶的温度相比较，从而了解主、辅加热器的控制和跟踪情况。温度是利用电位差计和转换开关来测量的。主加热器的电功率可以用电功率表或电压表和电流表来测量。[附]实验台主要参数小⒈实验材料：⒉试件外型尺寸：300×300mm2⒊导热计算面积F：200×200mm2（即主加热器的面积）⒋试件厚度δ：（实测）⒌主加热器电阻值：Ω⒍辅加热器（每个）电阻值：Ω⒎热电偶材料：镍铬－镍硅⒏试件最高加热温度：≤80℃四、实验方法和步骤⒈将两个平板试件仔细地安装在加热器的上下面，试件表面应与铜板严密接触，不应有空隙存在。在试件、加热器和水套等安装入位后，应在上面加压一定的重物，以使它们都能紧密接触。⒉联结和仔细检查各接线电路。将主加热器的两个接线端用导线接至主加热器电源；而四个辅助加热器经两两并联后再串联成串联电路（实验台上已联接好），并按图2所示联接到辅加热器电源上和跟踪控制器上。电压表和电流表（或电功率表）应按要求接入电路。⒊检查冷却水水泵及其通路能否正常工作，各热电偶是否正常完好，校正电位差计的零位。⒋接通加热器电源，并调节到合宜的电压，开始加温，同时开启温度跟踪控制器。在加温过程中，可通过各测温点的测量来控制和了解加热情况。开始时，可先不启动冷水泵，待试件的热面温度达到一定水平后，再启动水泵（或接通自来水），向上下水套通入冷却水。实验经过一段时间后，试件的热面温度和冷面温度开始趋于稳定。在这过程中可以适当调节主加热器电源、辅加热器电源的电压，使其更快或更利于达到稳定状态。待温度基本稳定后，就可以每隔一段时间进行一次电功率W（或电压V和电流I）读数记录和温度测量，从而得到稳定的测试结果。⒌一个工况实验后，可以将设备调到另一工况，即调节主加热器功率后，再按上述方法进行测试，得到另一工况的稳定测试结果。调节的电功率不宜过大，一般在5～10W为宜。⒍根据实验要求，进行多次工况的测试。（工况以从低温到高温为宜）。⒎测试结束后，先切断加热器电源，并关闭跟踪器，经过10分钟左右后再关闭水泵（或停放自来水）。五、实验结果处理实验数据取实验进入稳定状态后的连续三次稳定结果的平均值。导热量（即主加热器的电功率）：Q=W(VI⋅)[W]W-主加热器的电功率值[W]I－主加热器的电流值[A]V－主加热器的电压值[V]由于设备为双试件型，导热量向上下两个试件（试件1和试件2）传导，所以)21(2221VIWQQQ⋅===或＝[W]试件两面的温差：LRttt−=∆[℃]Rt－试件的热面温度（即1t或2t）[℃]Lt－试件的冷面温度（即3t或4t）[℃]平均温度为2LRttt+=−[℃]平均温度为−t时的导热系数：))(2()(2FttVIFttWLRLR−⋅⋅−⋅=δδλ或[W/m•℃]将不同平均温度下测定的材料导热系数在−−tλ坐标中得出−−tλ的关系曲线,并求出)(−=tfλ的关系式。强迫对流管族管外换热系数测定实验指导书一、实验目的1、了解对流换热的实验研究方法；2、测定空气横向流过管族表面时的平均放热系数α，并将实验数据整理成准则方程式；3、学习测量风速、温度、热量的基本技能。二、实验原理根据相似理论，流体受迫外掠物体时的换热系数α与流体流速、物体几何参数、物体间的相对几何位置以及流体物性等的关系可用下列准则方程式描述：Nu=f(Re,Pr)实验研究表明，空气横掠管族表面时，由于空气普郎特数（Pr＝0.7）为常数,故一般可将上式整理成下列的指数形式,Num=CRemn式中C,n均为常数,由实验确定,Num------努谢尔特准则Num=mdλαRem-------雷诺准则Rem=mdυω上述各准则中,α------壁面平均对流换热系数[W/m2.℃]d------实验管外径,作为定性尺寸,[m]λ------空气导热系数,[W/m.℃]ω------空气流过实验管外最窄截面处流速,[m/s]υ------空气运动黏度,[m2/s]角下标＂m＂表示以空气边界层平均温度)(21fwmttt+=作为定性温度。式中：wt------实验管壁面平均温度[℃]ft-------空气平均温度[℃]本实验的任务在于确定C与n的数值，首先使空气流速一定，然后测定有关的数据：电流及电压的功率、管壁温度wt、空气温度ft、微压计动压头h。至于α、ω在实验中无法直接测得，可通过计算求得，而物性参数可在有关书中查得。得到一组数据后，可得一组Nu、Re值；改变空气流速，又得到一组数据，再得到一组Nu、Re值；改变几次空气流速，就可得到一系列的实验数据。三、实验设备本对流实验在一实验风洞中进行，实验风洞主要由风洞本体、风机、构架、实验管及加热器、水银温度计、倾斜式微压计、皮托管、热工仪表、功率表以及调压变压器等组成。实验风洞如图所示（温度计、微压计、功率表以及调压变压器等在图中未表示出）。1、双扭曲线进风口；2、蜂窝器；3、整流金属网；4、第一测试段；5、实验段；6、第二测试段；7、收缩段；8、测速段；9、橡皮连接管；10、风机；11、皮托管实验风洞简图由于实验段前有两段整流，可使进入实验段前的气流稳定。皮托管置于测速段截面较实验段小，以使流速提高，测量准确。风量由风机出口档板调节。实验段为一叉排或顺排管族段，实验管置于管族第三排，管内装有电加热器作为热源，管壁嵌有四对热电偶对测壁温。四、实验步骤1、将皮托管与微压计连接好、校正零点；连接热电偶与加热器、功率表以及调压变压器的热工仪表电器箱线路连接好。经指导老师检查确认无误后，准备启动风机。2、在关闭风机出口挡板的条件下启动风机，让风机空载启动，然后根据需要开启出口挡板，调节风量。3、在调压变压器指针位于零位时，合电闸加热实验管，根据需要调整变压器，使其在某一热负荷下加热，并保持不变，使壁温达到稳定（壁温热电偶电势在三分钟内保持读数不变，即可认为已达到稳定状态）后，开始记录热电势、电功率、空气进出口温度及微压计的读数。电压不得超过180V。4、在一定热负荷下，通过调整风量来改变Re数的大小，因此保持调压变压器的输出电压不变，依次调节风机出口挡板，在各个不同的开度下测得其动压头，空气进、出口温度以及电位差计的读数，即为不同风速下，同一负荷时的实验数据。5、不同热负荷条件下的实验，仅需利用调压变压器改变电加热器功率，重复上述实验步骤即可。6、实验完毕后，先切断实验管加热电源，待实验管冷却后再关闭风机。五、实验数据的整理计算1.壁面平均放热系数α电加热器所产生的总热量Q，除了以对流方式由管壁传给空气外，还有一部分是以辐射方式传出，因此，对流换热量cQ为rrcQWQQQ−=−=])100()100[(440frTTFCQ−=ωεrQ-------辐射换热量［Ｗ］W-------加热电功率［Ｗ］ε-------试管表面黑度；ε＝0.6～0.70C-------绝对黑体辐射系数；0C=5.67[W/（m2.K4）]wt------实验管壁面平均温度[K]ft-------空气平均温度[K]F-------管表面积[m2]根据牛顿公式，壁面平均对流放热系数为FttQfwC)(−=α[W/（m2.℃）]2．空气流速的计算采用皮托管在测速段截面中心进行测量，由于实验风洞测速段分布均匀，因此不必进行截面速度不均匀的修正。若采用倾斜式微压计测得的动压头为h，则由能量方程式：02221+=+空空rpgurp而hrrpp)(12空酒−=−空空酒空酒空空测ρρρ)(2)(2)(212−=−=−=ghhrrrgpprgu式中：酒ρ-------微压计酒精的密度，酒ρ=0.81×103kg/m3;空ρ------空气的密度，根据空气的平均温度，可在有关书中查得．h-------倾斜式微压计液柱高[m]。由上式计算所得的流速是测速截面的流速，而准则式中的流速是指流体流过试验管段最窄截面的流速ω，由连续性方程：)(ndLFFu⋅⋅−=⋅试测测ωndLFFu⋅⋅−⋅=试测测ω式中：测u------测速处流体流速[m/s]ω------试验管段最窄截面的流速[m/s]测F------测速处流道截面积[m2]试F------放试管处流道截面积[m2]L------试验管有效管长d------试验管外径n------