传热学试验指导书讲解.pdf

3.稳态双平板法测量非金属的导热系数一、实验目的一、实验目的1巩固导热理论知识，了解建立较严格的一维稳态导热的实际方法。2用稳态双平板法测定非金属材料的导热系数，确定导热系数与温度之间的关系：0(1bt)或 A Bt。3学习实际问题的实验研究方法和有关测试技术。二、实验装置二、实验装置本实验装置主要包括实验本体、电源、恒温水浴和测试系统。图 3.1实验装置原理示意图实验本体为对称的双平板结构，本体中央为圆形主加热器及其周围的环形辅助加热器，由电阻带均匀绕成的薄片型电热器。主、辅加热器共平面，之间有一个小的环形隔缝。在主、辅加热器两侧，各放置由导热系数较大的黄铜做成的方形主均热板和方形辅助均热板，主、辅均热板同厚度共平面，二者之间有 5mm 的方形隔缝。两块边长等于辅助均热板边长的等厚度的同种试件分别置于两侧的均热板上。并在每块试材另一面各安置一个方形冷却器，最后用机械方法从两个方向将它们压紧以减小存在于各交界面上的接触热阻。冷却器内有盘旋形小槽，恒温水在其中沿槽盘旋流动，使试件的冷却面温度均匀一致。超级恒温水浴向两个冷却器并联供给恒温水，使得两块试材的冷却面等温。由双路直流稳压器分别对主、辅加热器单独供电。在实验时，对于已设定的主加热器功1率，可以调节辅助加热器的功率，使得在热稳定时主、辅均热板间的隔缝在径向上无温差，这意味着它们之间无热量传递，主均热板表面是等温面，以主加热器功率的一半对试件的中央部分供应一维导热热流。这样就达到了实验原理的要求。必须特别指出，试件的厚度不宜过大，否则，由于试件侧向散热及其径向温度梯度引起的径向导热，使得主均热板和冷却器间的试件内各等温面不再是互相平行的平面，不能满足一维导热实验原理的要求。为了减少实验本体的侧面散热，其周围被良好保温。在主、辅均热板面和冷却器冷却面内共埋设 8 对镍铬镍硅热电偶。通过多点切换开关由电位差计测量各热电偶的输出热电势，查表确定各点温度。三、实验原理三、实验原理双平板法是以无限大平板的导热规律为基础。设有一块厚度为，导热系数为 A Bt的无限大平板，一侧以恒热流 q(W/)加热，平板两表面的温度分别保持恒等于 t1，t2，如图3.2 所示。根据傅立叶定律，描述板内温度场的导热微分方程式为：dtdtq (A Bt)(3.1)dxdx对应的边界条件为：x=0 处，t=t1x=处，t=t2积分（3.1）式并代入（3.2）式得：q A B(t1t2)/2(t1t2)/m A B(t1t2)/2(3.2)(3.3)A Btm(3.4)图 3.2 平板导热原理等于在t1和t2间材料的平均导热系数，m为在平均温度tm(t1t2)/2下板材的导热系数，则（3.4）式可写为：q m(t1t2)/(3.5)如要确定板材的导热系数，须在热稳定时测出加热（或冷却）平板一侧的恒热流密度 q(W/)和温度 t1，t2，依据（3.5）式便可得板材的平均导热系数：m q/(t1t2)(3.6)mi，如要确定 和 t 之间的关系，则要求在不同的平板温度 tmi下测出 n 个平均导热系数然后根据（3.4）式，应用最小二乘法原理，求得：2A2tttmimimimimitB(t)mimi(tmi)nt22mi(3.7)mi2ntnmitmi2mi(3.8)从而便可确定关系式0(1bt)或 A Bt。四、实验步骤四、实验步骤1预习实验报告，弄懂实验原理，了解实验装置的结构和实验方法。2将两面已磨平的试件装入实验装置，并压紧。3接好直流稳压电源、电压表、电流表和电位差计；将超级恒温水浴的出水口用橡皮管与两个冷却器并联，并将它们的回水橡皮管引回恒温水浴；热电偶冷端置于冰瓶内，经指导教师检查认可。4调节恒温水浴上的控制温度计的设定值，启动恒温水浴。5接通直流稳压器。按预先拟定的方案，调节主、辅加热器的功率，直至达实验要求。6热稳定时，每隔 10 分钟测量一次，共测三次。7时间许可时，可改变水温或主、辅加热器功率，重复 5、6 步骤，共做 68 次实验。8测量数据经指导教师审核后，切断电源，结束实验，整理现场。五、实验数据记录及处理五、实验数据记录及处理1本实验所用试材厚度=20.00mm，面积为 170170mm2，为了避免主加热器的电源导线通过辅助加热器而受热，现将主加热器电阻带的两端穿过辅助加热器后与电源线连接。这样，主加热器实际传给试件的热量小于所测的主加热器输入电功率，根据主加热器电阻带中未穿过辅助加热器的长度可以确定一个小于 1 的功率修正系数 K，标示在实验本体的侧面。本实验装置采取双平板的对称结构，使两块试件内的温度场相同，即t1=t2，t3=t4，同时，调节辅助加热器功率使得 t1=t5，t2=t6，以满足主加热器上试件的一维导热条件。但是，由于加工工艺、装配质量和功率调节方法等方面的原因，实际中往往得不到上述的理想温度场。因而，当 t1t2，t1t5，t2t6，t3t4时即认为近似符合实验原理的条件，其近似程度取决于3实验结果所需精度的高低。计算试件在平均温度 tm=(t1+t2+t3+t4)/4 下的平均导热系数(W/m2)时，按照下式进行计算，KQFe(t5-t7)(t6-t8)式中：Fe 为一维稳态导热的计算面积（m2），FeDe242将实验数据填入表 3.1 并计算相应的。3确定 与 tm之间的关系，并绘出曲线。4(3.9)(3.10)表 3.1 稳态双平板法测定非金属材料导热系数记录表材料厚度 20mm材料的面积 170170mm2测试人员测试日期项目工况工况一工况二工况三工况四123123123123主加热器电压 V电流 A辅助加热器电压 V电流 A恒温水浴温度主加热器温度辅助加热器温度tm()W/mt3()t4()t1()t2()t5()t6()5六、思考题六、思考题1为了建立一维稳定的温度场，本实验装置采取了哪些措施？2如果试件表面不平整时，测得的导热系数将偏大还是偏小？为什么？3本实验装置为什么仅限于测定非金属材料的导热系数？对被测试材的导热系数范围有无限制？为什么？4本应测量试件冷、热表面温度的，但在本实验装置中，热电偶却是埋设在均热板面上和冷却器面上而不是埋设在试件表面上。这是为什么？5如果只有一块试件，能否用本实验装置进行测试，怎样进行试验？6如果某试材的导热系数是随温度线性变化的，在用本装置测定其导热系数时共做了几次实验，事后发现两块试件厚度不等，试问应如何整理数据？7是否可用此仪器测湿材的导热系数？8用稳态平板法测液体导热系数时要考虑哪些因素？应怎样进行实验？64.恒热流准稳态平板法测定材料的热物性参数一、实验目的一、实验目的1通过实验测出的温度变化曲线，进一步加深了解不稳定导热过程的特征。2对导温系数和比热建立起较直观的认识。3掌握快速测试材料热物性参数的实验方法和技术。二、实验装置二、实验装置实验装置主要包括实验本体、稳压电源和测量仪表，如图 4.1 所示，实验本体由四块厚度为 的、面积为 F 的被测材料重叠在一起组成。在第一块与第二块之间夹着一个轻型的片状电热器，在第三块和第四块之间也夹着一个相同的电加热器，在第二块与第三块交界面中心和一个电加热器中心各安置一对铜康铜电偶。在这四块重叠在一起的试材顶面和底面加上良好的保温层，然后用机械的方法把它们均匀地压紧。电加热器由晶体管直流稳压器供电，用 0.5 级的直流电压表和直流电流表测量电加热器的功率。两对热电偶的冷端一起放在一个温度不受扰的保温盒内（温度等于 0）。用电位差计读取温度值。图 4.1实验装置原理示意图三、实验原理三、实验原理根据导热理论，对厚度为 2,初始温度为 t1，导热系数为，导温系数为 a 的无限大平板，当其两表面用恒热流密度 qw加热时，平板内任意点的温度可表示为：72n1qw1 x 12x22t t1F(n)cos(n)exp(n F)(4.1)002226n n1当加热经过一段时间后，即F00.5 时，（4.1）式中的级数项便可略去不计。这时可得简单的关系式：t t1qw1 x21F()026(4.2)由式（4.2）可见，板内各点温度随时间是线性变化的，而与板面垂直的坐标X 是成抛物线关系的，如图 4.2 所示。这就是不稳定导热达到准稳态时的温度特征。图 4.2准稳态时板内温度分布曲线对于 X=+的加热面和 X=0 的中心面，可将式（4.2）分别写成：1(F0)3q1tc t1w(F0)6由式（4.3）可得导热系数（W/m）：tw t1qw(4.3)qwqw(4.4)2(twtc)2t式中：t=tw-tc为同一瞬时加热面与中心面间的温差，；qw为单位面积平板表面所获得热流量，W/；为平板的半宽度，m。因为不稳态导热达到准稳态时，板内各点的温度是随时间线性变化的。也就是说，此时板内各点温度对时间的变化率是相同的，故只要测出中心面（或加热面）的温度变化率，就可按定义写出比热 c（J/kg）的计算式为：c qwdt()ed8(4.5)式中：为试材的密度，kg/m3；(dt)e为中心面的温度变化率，/s。d根据定义，材料的导温系数 a（m2/s）可表示为：dt()e(4.6)c2td综上所述，应用恒热流准稳态平板法测试材料热物性时，在一个实验内可同时测出材料a 的三个重要的热物性参数导热系数、比热和导温系数。四、实验步骤四、实验步骤1测量试材尺寸、重量，用以计算试材密度。2将试材装入实验装置，并按图 4.1 接线。3接通稳压电源输入，将稳压电源空载工作数分钟，但此时应将加热器断开，不使电流通过电加热器。4接通电位差计观察加热面和中心面两对热电偶的数值是否相同。若不同应使其自然冷却达到均匀温度，以满足初始条件。5接通电加热器，记录加热器的电压和电流值。6当进入准稳态后，每隔一分钟记录一次数据，测 46 组数据7切断电加热器电源，并观察试材在停止加热后的温度变化8实验结束，切断电源五、实验数据记录及处理五、实验数据记录及处理1试材热流密度 qw的计算。采用轻质片状电加热器加热，毕竟也有一定的热容量，在加热过程中，加热器本身要吸收热量，而且先于试材吸收。因此试材实验所吸收的热量必需从电功率中扣除电加热器所吸收的热量。根据实验原理，我们仅研究电加热器对中间两块试材加热时的温度变化就可以了，但为了避免因电加热器向外难以估计的散热给 qw的计算带来困难，所以在两加热器外侧各补上一块同厚度的试材并加以保温，这样，电加热器将同等地加热其两侧的每块试材，每块试材内的温度场关于电加热器是对称的。两个同样的电加热器是并联（或串联）供电的，基于以上分析，试材表面实验所吸收的热量 qw（W/）应为：9qwUIchdt()4F2d(4.6)式中：U加热器的电压，V；I加热器的电流，A；F加热器（也是试材）面积，；ch=0.079J/加热器单位面积的比热；变化率，/s，准稳态时有(2数据记录及处理。将实验数据填入表 4.1，并计算试材的导热系数、比热及导温系数。材料的质量 m 468.8g材料面积0.20.2m2材料厚度1102m试件初始温差标准电阻0.1dt加热器（也是试材加热面）的温度ddtdtdt)h()w()。ddd10表 4.1非准稳态材料热物性测试记录表测试人员测试日期项目标准电阻电压降实验（V）次数1234（A）（）（mV）（mV）加热电流阻热电势热电势温升（）间（s）电热膜电加热面的中心点的中心面的温升的时率（/s）准稳态时准稳态时准稳态时中心面的温度变化qw（W/准稳态时热流密度导热系数比热 c导温系数（W/m）（J/kg）a（m2/s）11六、思考题六、思考题1这个实验方法有哪些方面的误差？如何减少？2试材与试材间和试材与电加热器间都有缝隙，存在着接触热阻，它们对测试结果有何影响？13如因加工偏差而使中间二块试材厚度不等，一块厚为1，另一块厚度54为，其余条件不变，试计算由此而引起的测试结果的偏差各为多少？54如果将两对热电偶接成温差热电偶，测出加热面与中心面的温差，计算出试材的导热系数。这样做法行吗？如行的话，实验怎样做？5本实验原理可否用于测量金属等良导体的热物性？可否用于测量湿材的热物性？6如欲测试材在不同温度下的热物性，可采取什么措施？7本实验装置对试材顶部和下部的保温材料有什么要求？8能否用此法测定导热系数很小的试材热物性吗？测导温系数很小的试材行吗？125强迫对流管外换热系数的测定一、实验目的一、实验目的1作为综合实验，该实验涉及较多课程知识，测量参数多，如风速、功率、温度以及计算机基本操作，可考察学生的综合能力。2测定空气横向流过单管表面的平均表面传热系数 h，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，了解对流放热的实验研究方法。二、实验装置二、实验装置本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、实验管及其加热器、水银温度计、倾斜式微压计、毕托管、电位差计、电流表、电压表以及调压变压器组成。风洞本体如图 5.1 所示。图 5.1风洞本体示意图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-毕托管；10-橡皮连接管；11-风机由于实验段前有两段整流金属网，可使进入实验段前的气流稳定。毕托管置于测速段，测速段截面较实验段小，以使流速提高，测量准确。风量由风机出口挡板调节。实验风洞中安装了一根实验管，管内装有电加热器作为热源，管壁嵌有四对13热电偶以测壁温。三、实验原理三、实验原理根据相似理论，流体受迫外掠物体时的表面传热系数 h 与流速、物体几何形状及尺寸、流体物性间的关系可用下列准则方程式描述，Nu f(Re,Pr)（5.1）实验研究表明，流体横向掠过单管表面时，一般可将上式整理成下列具体的指数形式，nNuCRenmPrm（5.2）式中：C、n、m 均为常数，由实验确定。Num为努谢尔特准则数，Nuhdm（5.3）Rem为雷诺准则数，Remudm（5.4）Prm为普朗特准则数，Prmnam（5.5）式中：d 为实验管外径，作定性尺寸，m；u 为流体流过实验管外最窄面处流速，m/s；为流体导热系数，W/mK；a 为流体导温系数，m2/s；为流体运动粘度，m2/s；h 为表面传热系数，W/m2K；下角标 m 表示用流体边界层平均温度tm(twtf)/2作为定性温度。由于实验流体为空气，Prm 0.7，故准则式可化为，NuCRenm（5.6）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14的数据：电流 I、电压 U、管壁温度 tw、空气温度 tf、微压计动压头 H。表面传热系数 h 和流速 u 无法在实验中直接测得，可通过计算求得，物性参数可在有关书中查得。得到一组数据后，可得一组Rem、Prm，改变空气流速，又得到一组数据及其Rem、Prm，多次改变空气流速，得到一系列实验数据。四、实验步骤四、实验步骤1将毕托管与微压计连接好、校正零点；连接热电偶与电位差计，再将加热器、电流表、电压表以及调压变压器线路连接好，指导教师检查确认无误后，准备启动风机。2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，使壁温达到稳定后（壁温热电偶电势在3min 内保持读数不变，即可认为已达到稳定状态），开始记录热电势、电流、电压、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，同一热负荷时的实验数据。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的加热量，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、实验数据记录及处理五、实验数据记录及处理1壁面平均表面传热系数 h电加热器产生的总热量，除去以对流方式由管壁传给空气的热量外，还有15一部分是以辐射方式传出去的，因此，对流放热量c为，c rUI r（5.7）（5.8）Tf4 Tw4rC0A()()100100式中：r为辐射换热量，W；为试管表面黑度，0.6 0.7；C0为绝对黑体辐射系数，C05.67W/m2K4；Tw为管壁面的平均绝对温度，K；Tf为实验管前流体的绝对温度，K；A 为管表面积，m2。根据牛顿冷却公式，壁面平均表面传热系数（W/m2K）为，h c(TwTf)A（5.9）2空气流速采用毕托管在测速段截面中心点测量，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，u2P20k2gkP1而（5.10）P2 P1(lk)H（5.11）uc2gk(P2P1)2gk(lk)H 2gH(lk)k（5.12）式中：uc为测速截面处的流速，m/s；l为微压计内液体的密度；k为空气的密度，kg/m3，根据空气的平均温度查表得到；H 为动压头，用液柱高度表示。由上式计算得到的流速是测速截面处的流速，而准则式中的流速 u 指流体流过实验管最窄截面的流速。由连续性方程，ucAcus(AsLdn)16（5.13）usucAcAs Ldn（5.14）式中：m/s；Ac为测速截面面积，m2，Ac80150mm2；us为实验管截面处的流速，As为放实验管处截面面积，m2，As 450150mm2；L 为实验管有效管长，m，L 450mm；d 为实验管外径，m，d 40mm；n 为实验管数，n=1。3确定准则方程式将数据代入准则方程式计算准则数，可在以Num为纵坐标，以Rem为横坐标的常用对数坐标图上得到一些实验点，然后用直线连起来，因为，（5.15）lgNum lgC nlgRemlgC为直线的截距，n 为直线的斜率，取直线上的两点，n lgNu2lgNu1lgRe2lgRe1C NuRen（5.16）（5.17）即可得到准则方程式，NuCRen4记录实验数据并计算实验管有效管长实验管外径放实验管处截面面积测速截面面积（5.18）17表 5.1实验数据记录表加热加热实验次数V112345678V2V3V4管壁测点热电势/mV电压电流/V/A/温度温度/mmH2O气流气流动压头管前管后18附表 5.1铜康铜热电偶温度毫伏对照表温0度010203040506070809010011012013014015019mVmV10.0390.4310.8321.2421.6612.0842.5222.9653.4153.8734.3384.8105.2895.7756.2676.766mV20.0780.4710.8931.2841.7032.1302.5663.0103.4593.9194.3854.8585.3385.8246.3176.816mV30.1100.5100.9141.3251.7452.1742.8103.0543.5063.9654.4324.9065.3865.8736.3676.867mV40.1550.5500.9451.3671.7882.2172.6543.0993.5524.0124.4794.9535.4345.9226.4166.917mV50.1940.5900.9951.4081.8302.2602.6983.1443.5974.0584.5265.0075.4835.9716.4666.967mV60.2340.6301.0361.4501.8732.3042.7433.1893.6434.1054.5735.0495.5316.0206.5167.018mV70.2730.6711.0771.4921.9162.3472.7873.2343.6894.1514.6215.0995.5806.0706.5667.066mV80.3120.7111.1181.5341.9582.3912.8313.2793.7354.1984.6685.1465.6296.1196.6167.116mV90.3250.7511.1591.5762.0012.4352.8673.3253.7814.2244.7155.1935.6776.7686.6667.1690.0000.3910.7921.2011.6182.0442.4782.9203.3703.8274.2814.7635.2415.7266.2186.7166.6.热管换热器实验热管换热器实验一、实验目的：一、实验目的：1、了解热管换热器试验台的工作原理2、熟悉热管换热器试验台的使用方法3、掌握热管换热器换热量 Q 和传热系数 K 的测试和计算方法二、试验台的结构及工作原理二、试验台的结构及工作原理热管换热器实验台的结构如下图所示。图 6.1热管换热器试验台结构简图1、测温琴键开关2、冷段风道3、冷段风机4、热段风机5、电加热器6、热电偶7、翅片热管8、风速测孔热段中的电加热器使空气加热，热风经热段风道时，通过翅片热管进行换热和传递，从而使冷段风道的空气温度升高。利用风道中的热电偶对冷、热段的进出口温度进行测量，并用热球风速仪对冷、热段的出口风速进行测量，从而可以计算出换热器的换热量Q和传热系数K。三、实验台参数：三、实验台参数：1、冷段出口面积FL 0.7850.082 0.005m22、热段出口面积Fr 0.7850.082 0.005m23、冷段传热表面积fL 0.09m24、热段传热表面积fr 0.132m2四、四、实验步骤实验步骤1、连接电位差计和冷端热电偶（如无冰水条件，可不接冷端热电偶，而将20冷端热电偶的接线柱短路。这样测出的温度应加上室温）2、接通电源3、将工况开关置于“工况 1”位置（弱热），此时电加热器和风机开始工作4、用热球风速仪在冷、热段出口的测孔中测量风速。（为使测量工作在风道温度不超过 40的情况下进行，必须在开机后立即测量）。5、待工况稳定后（约 20 分钟后），按下琴键开关，切换测温点，逐点测量冷、热段进出口温度tL1，tL2，tr1，tr26、将“工况开关”置于“工况（强热档）”位置，重复上述步骤，测量工况的冷热段进出口温度7、实验结束后，切断所有电源五、实验数据处理五、实验数据处理将实验中测得的数据填入下表中工况序号风速 m/s冷段VL热段Vr冷、热段进出口风温tL1tL2tr1tr2123平均123平均计算换热量、传热系数及热平衡误差：1、工况（弱热）冷段换热量QL CL3600FLVLLtL2tL1kW/h热段换热量Qr Cr3600FrVrrtr2tr1kW/h21热平衡误差QrQLQr%传热系数K QLfLtkW/（hm2）式中VL，Vr冷、热段出口平均风速 m/sFL，Fr冷、热段出口断面面积 m2tL1，tr1，tL2，tr2冷、热段进出口风温 L，r冷、热段出口空气密度 kg/m3fL冷段传热面积t tr1tL2tr2tL1222、工况（强热）计算方法同上将上述数据整理所求得的两种工况的实验结果填入下表，并进行比较分析冷段换热量QL（kWh）冷段换热量Qr（kW/h）热平衡误差（%）传热系数K（kW/（hm2）工况22