传热学实验指导书.doc

传热学 实验指导书周露亮 编2009年11月目 录实验要求2实验一 球体法粒状材料的导热系数的测定3实验二 平板法导热系数的测定7实验三 套管换热器液-液换热实验12实验四 中温辐射黑度的测定16附录1 铜康铜热电偶分度表21附录2 精密数字温度温差仪使用方法22实验要求1实验前应预习与实验有关的教材内容和实验指导书，了解实验目的、实验原理和实验要求，做到心中有数。2在实验室要首先熟悉实验装置的构造特点、性能和使用方法，使用贵重仪器时需得到指导教师的许可，方可动用。3实验时应严肃认真、一丝不苟，细致地观察实验中的各种现象，并作好记录，通过实验，训练基本操作技能和培养科学的工作作风。4实验结束时，学生先自行检查全部实验记录，再经指导教师审阅后，方可结束实验。5学生实验时，如出现实验仪器损坏情况，应及时向指导教师报告。6按规定格式认真填写实验报告，并按期交出。24实验一 球体法粒状材料的导热系数的测定一、实验目的1. 巩固稳定导热的基本理论，学习球体法测定物质的导热系数的实验方法；2. 实验测定被测材料的导热系数；3. 绘制出材料导热系数与温度t的关系曲线。二、实验原理加热圆球（见图1）由两个壁厚1.2毫米的大小同心圆球（1）组成。小球内装有电加热器（2）用来产生热量。大球内壁与小球外壁各设有三对铜-康铜热电偶（4）。当温度达到稳定状态后，电加热器产生的热量全部通过中间的测试材料（3）传到外球，再由外球传给空气。1.大小同心球；2.电加热器；3.颗粒状试材；4.铜康铜热电偶；5.专用稳压电源；6.专用测试仪；7.底盘；8.UJ36a电位差计 图1 加热圆球示意图测取小球的温度t1，t2，t3, 取其平均温度：T1=(t1+ t2+ t3)/3；测取大球的温度t4，t5, t6，取其平均温度：T2=(t4+ t5+ t6)/3；根据圆球导热公式：=UI(1/ D1-1/D2)/2（T1+ T2）-(1); 式中： U加热电压； I加热电流 ； D1小球直径 ； D2大球直径 ； 三、实验装置及主要技术指标实验装置YQF-1型导热系数测定仪的面板图见图2专用电源的面板图见图3图2 YQF-1型导热系数测定仪的面板图 图3 专用电源的面板图1电源开关；2电源指示灯；3 3.5位数显毫伏表；4毫伏表调零电位器；5补偿电压调节电位器；6补偿按键；7热电偶测量电压输出端；8热电偶输入选择开关。 1电源开关； 2电源指示灯；3电压表；4电流表；5过载指示灯；6电源输出端；7电源输出粗调； 8电源输出细调。1加热圆球1.1测量材料：颗粒状材料，例如黄沙，珍珠岩等1.2测量温度范围：502001.3加热电压：060V 加热电流：01A（因不同的材料而不同）1.4圆球尺寸：小球直径D1=80mm 大球直径D2=160mm1.5稳定时间：约45小时2.导热系数测定仪2.1数显毫伏表：3.5位显示，量程020mV，测量精度：0.1%2个字2.2温度补偿范围：-1040，补偿精度0.53.专用电源3.1输出电压：080V3.2输出电流：01A3.3连续工作时间：8小时四、实验方法和步骤使用前，先在加热圆球的顶部用漏斗装入测试材料，如果已加好试材，则可进行实验。1.按图3所示进行仪器的连接。稳压电源的输出通过电流表专用插头接到加热圆球底盘上的插座。电源输出“+”端串接电流表。电流表“-”与电源输出“-”端并接电压表。2.将15芯信号线的一端插入加热圆球底座（7）专用插座，另一端插到导热系数测定仪后面板上的15芯插座上。3.将稳压电源的输出调到最小位置，即粗调和细调均逆时针打到底。开启电源开关，指示灯亮。调节粗调和细调开关，改变输出电压，根据电压表和电流表的指示，调节加热功率至所需的电流和电压值。4.打开导热系数测定仪的电源开关。先进行数显毫伏表的调零。将面板右下方的输出端短接，用小一字螺丝刀调节右上角的调零电位器，使毫伏表显示为零。若已为零则无须调节。去掉短接线就可进行测量。5.若想检测仪器内部的温度补偿是否正常，只须按下“补偿”键，则数显毫负表显示的值即位补偿电压。对照环境温度，通过查看附录1即可知道补偿电压是否准确。若不准确，可用小一字螺丝刀微调“补偿”按键上方的补偿电位器至准确的补偿值即可。再按“补偿”按键使它弹起即回到测量状态。6.观察加热圆球的温度变化情况。当数显毫伏表或电位差计（UJ36a型）的读数不再变化，则表示温度已达到稳定。这时用精密电压表和电流表测得U和I的值，即可计算得到加热功率。转动导热系数测定仪上的输入选择旋钮（8）。这样就能选择6个热电偶进行分别测量。7输入选择旋钮测得的mA值加上补偿mA值即为热电偶测量值，对照附录1“铜康铜热电偶分度表”即可查得对应的测量温度。五、实验数据记录和处理1、实验完后记录实验数据记录，并整理填写下表：序号加热电流A加热电压V小球温度大球温度导热系数W/mt1mVt2mVt3mVT1t4mVt5mVt6mVT2导热系数根据式（1）计算2、绘制材料导热系数与温度t的关系曲线。六、思考题1、为什么大球内壁与小球外壁要设三对热电偶？2、实验室内的空气流通对实验有何影响？实验二 平板法导热系数的测定一、实验目的1、利用物体的散热速率求导热速率2、测量物体在室温100多点的导热系数，绘制t曲线。二、实验原理导热是物体相互接触时，由高温部分向低温部分传递热量的过程。当温度的变化只是沿着一个方向(设Z方向)进行的时候,热传导的基本公式可写为: dQ = -(dT/dz) dsdt (2-9-1)它表示在dt时间内通过ds面的热量为dQ，dT/dz为温度梯度，为导热系数。 如图，待测物B的上下表面分和上下铜盘接触，热量由高温铜盘A通过待测物B向低温铜盘传递，若B很薄，则通过B侧面向周围环境的散热量可以忽略不计，视热量沿着垂直B的方向传递。那么，稳态导热的情况下，在t时间内，通过面积为S、厚度h的匀质板的热量为 Q = -(T/h)St (2-9-2) Q/t = -(T/h)S (2-9-3)T表示匀质圆板两板面的恒定温差，Q/t便为待测物的导热速率。只要知道了导热速率，由(2-9-3)式即可求出。实验中，使上铜盘A和下铜盘P分别达到恒定温度T1、T2，并设T1T2。即热量由上而下传递，通过下铜盘P向周围散热。因为T1和T2不变，所以，通过B的热量就等于P向周围散发的热量，即B的导热速率等于P的散热速率。因此，只要求出了P在温度T2时的散热速率，就求出了B的导热速率Q/t。因为P的上表面和B的下表面接触，所以P的散热面积只有下表面面积和侧面积之和，设为Sb。而实验中冷却曲线P是全部裸露于空气中测出来的，即在P的上下表面和侧面都散热的情况下记录出来的。设其全部表面积为Sc，根据散热速率与散热面积成正比的关系得(Q/t)b/(Q/t)c=Sb/Sc (2-9-4)式中：(Q/t)b为Sb面积的散热速率；(Q/t)c为Sc面积的散热速率。而散热速率(Q/t)b就等于(2-9-3)式中的导热速率Q/t，则(2-9-3)式便可写作： (Q/t)b = -(T/h)S (2-9-5)设下铜盘直径为D，厚度为，那么有Sb = (D/2)2+D Sc = 2(D/2)2 +D (2-9-6)由比热容的基本定义C = Q/mT得Q = cmT故 (Q/t)c = cmT/t (2-9-7)将(2-9-6) 、(2-9-7)两式代入(2-9-4)式，得 (Q/t)b = (D+4)/(2D+4).c.m.K (2-9-8)式中：K = T/t|T=T2 m-下铜盘的质量 C-下铜盘的比热容将式(2-9-8)代入(2-9-5)式得 = cmKh(D + 4)/D2(T1- T2)(2D+4) (2-9-9)三、实验装置 四、实验步骤1、用游标卡尺多次测量下铜盘的直径D、厚度和待测物厚度L，然后取平均值。下铜盘的质量m由天平称出，其比热容C = 3.80510J/kg。2、安置圆筒、圆盘时，须使放置热电偶的洞孔与杜瓦瓶同一侧。热电偶插入铜盘上的小孔时，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，使热电偶测温端与铜盘接触良好，热电偶冷端插在冰水混合物中使温度控制在0。3、据稳态法，必须得到稳定的温度分布，这就要等待较长的时间，为了提高效率，可先将电源电压打到高档，加热约20分钟后再打至低档。然后，每隔5分钟读一下温度示值，如在一段时间内（如10分钟）样品上、下表面温度T1、T2示值都不变，即可认为已达到稳定状态。记录稳态时T1、T2值后，移去样品，再加热，当下铜盘温度比T2高出10C左右时，移去圆筒，让下铜盘自然冷却。每隔30秒读一次下铜盘的温度示值，最后选取邻近的T2测量数据来求出散热速率。在采用PID自动控温时，可连续在50C 、 60C 、70C、 80C 、90C 、100时并使得在各点T1、T2值稳定不变（准稳定状态）。记录稳态时各温点T1、T2值后。照上述方法移去圆筒,让下铜盘自然冷却。每隔1020秒读一次下铜盘散热速率，代入公式进而测得样品在以上不同温度下的导热系数。4、本实验选用铜-康铜热电偶测温度，温差100时，其温差电动势约4.0mV，故应配用量程010mV，并能读到0.01mV的数字电压表（数字电压表前端采用自稳零放大器，故无须调零）。由于热电偶冷端温度为0，对一定材料的热电偶而言，当温度变化范围不大时，其温差电动势（mV）与待测温度（）的比值是一个常数。由此，在用式2-9-9计算时，可以直接以电动势值代表温度值。5、使用前将加热盘与散热盘面擦干净。样品两端擦净，可涂上少量硅油，以保证接触良好。注意，样品不能连续做试验，特别是橡皮、牛筋必须降至室温半小时以上才能进行下一次实验。6、在实验过程中，若移开电热板，就先关闭电源。移开热圆筒时，手应拿住固定轴转动，以免烫伤手。五、实验数据记录与处理1、列表记录下铜盘自然冷却的温度变化序 号123456时间间隔温度（）2、计算冷却速率和导热系数, 列表如下序 号铜盘温度时间s温差冷却速率 w/ 导热系数 w/mT1T2tT1234563、绘制t曲线。六、思考题1、下铜盘散热速率等于待测物B导热速率的条件是什么？2、热电偶插入铜盘上的小孔时为什么要抹上些硅脂？3、怎样判断导热进入准稳定状态？4、用式2-9-9计算时，可否直接以电动势值代表温度值？为什么？实验三 套管换热器液-液换热实验一、 实验目的1 通过实验，测定在套管换热器中进行的液液热交换的传热总系数，流体在圆管内作强制湍流时的传热系数。2 对在强制对流下进行液液热交换过程，验证求算传热膜系数的关联式。通过实验取得新物系的传热系数的数据及其计算式。3 通过本实验，了解传热过程的实验方法，在实验技能上受到一定的训练，并加深对传热过程基本原理的理解。二、 实验设备本实验装置主要由套管热交换器（121.5mm的黄铜管为内管，202.0mm的有机玻璃管为套管所构成）、恒温循环水槽（控制恒温）、高位稳压水槽（保持水压恒定）以及一系列测量和控制仪表所组成，装置流程如图所示。三、 实验的方法与步骤1、向恒温循环水槽灌入蒸馏水或软水，直至溢流管有水溢出为止。2、开启并调节通往高位稳压水槽的自来水阀门，使槽内充满水，并溢流管有水流出。3、将冰碎成细粒，放入冷阱中并掺入少许蒸馏水，使之浊状。将热电偶冷接点插入冰水中，盖严盖子4、循环水槽的温度自控装置的温度定为55。启动恒温水槽的电热器。等恒温水槽的水达到预定温度后即可开始实验。5、开启冷水截止球阀，测定冷水流量，实验过程中保持恒定。6、启动循环水泵，开启并调节热水调节阀。热水流量在60250L/h 范围内选取若干流量值（一般要求不少于45组测试数据），进行实验测定。7、每调节一次热水流量，待流量和温度都恒定后，再通过琴键开关，依次测定个点温度。四、 实验结果整理1、记录实验设备基本参数。实验设备型式和装置方式：水平装置套管式热交换器内管基本参数： 材料：黄铜外径：d= mm壁厚：= mm测试段长度：L= mm套管基本参数： 材料：有机玻璃外径：d= mm壁厚：= mm流体流通的横截面积：内管横截面积：S= mm2环隙横截面积：S= mm2热交换面积： 内管内壁表面积：Aw= mm2 内管外壁表面积：Aw= mm2 平均热交换面积；A = mm2 2实验数据记录：实验序号冷水流量热水流量温度测试截面I测试截面V,VT1TW1T1T2TW2T2Kg/sKg/s0C0C0C0C0C0C3.实验数据整理： （1）求取总传热系数；实验序号管内流速流体间温度差传热速率总传热系数uT1T2TmQKm.s-1KKKWW.m-2K-11234（2）由实验数据求取流体在圆形内做强制湍流时的传热膜系数。实验数据可参考下表整理实验序号管内流速流体与壁面温差传热速率管内传热膜系数UT1-T2T2-TW2TmQMS-1KKKWm-2k-1Wm-2k-11234(3)由实验原始数据和测得的值，对水平管内传热膜系数的准数关联式进行参数估计。整理数据：实验序号管内流体平均温度流体密度流体黏度流体导热系数管内流速传热膜系数雷诺数努塞尔准数普兰特准数（T1+T2）/2UReNuPrKKg.m-3Pa.sw.m-1.K-1m.s-1w.m-1.k-11234列出表中各项计算式，水平管内传热膜系数的准数关联式：Nu = aRemPrnPrn视为定值与a项合并，上等式为 Nu = ARem上等式两边去对数，使之线性化，即 lgNu = mlgRe + lgA 用最小二乘法进行线性回归，估计参数A和m。取Pr均值为定值，且取n=0。3，由A计算到a值。最后，列出参数估计值：A = ；m = ；a = 实验四 中温辐射黑度的测定一、实验目的1、巩固黑度的概念和辐射理论知识2、用比较法定量地测定中温辐射时的黑度二、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 （1） 式中: ： i面面积. ： i面的净辐射换热量. ： i面从其他表面的吸热量. ： i 面本身的辐射热量. ： i 面的黑度. ： K面对i面的角系数. ： K面的有效辐射力. ： i面的辐射力. ： i面的吸收率.根据本实验的设备情况,可以认为:1、热源1、黑体腔体2为黑体.2、热源1、黑体腔体2、待测物体(受体)3,它们表面上的温度均匀(图1) 1热源 1 2 3 2黑体腔体 3待测物体(受体)因此,公式(1)可写成:因为: ; . 又根据角系数的互换性则: = （2）由于受体3与环境主要以自然对流方式换热,因此: （3）3： 对流换热系数 ： 待测物体(受体)温度 ： 环境温度由(2),(3)式可得: （4）当热源1和黑体腔体2的表面温度一致时,Eb1 - Eb2并考虑到,体系1、2、3,为封闭系统,则: 由此,(4)式可写成: （5）式中 称为斯蒂芬玻尔茨曼常数.,其值为对不同待测(受体)a、b的黑度为: ； 设 则 （6）当为黑体时,(6)式可写成 三、实验装置实验装置简图如图所示1.热源 2.黑体腔体 3.被测受体 4.导热 5.黑体腔体右加热电压表 6. 黑体腔体左加热电压表 7.热源加热电压表 8.热源电压旋钮9.黑体腔体左电压旋钮 10. 黑体腔体右电压旋钮 11.测温接线柱12. 测温转换开关 13.电源开关热源腔体具有一个测温热电偶,传导腔体有二个热电偶,受体有一个热电偶,它们都可以通过琴键转换开关来切换.四、实验步骤本仪器用比较法定量地测定物体的黑度,具体方法是通过三组加热器电压的调整(热源一组,黑体腔体二组),使热源和黑体腔体的测温点稳定在同一温度上,然后分别将“待测”(受体为待测物体,具有原来的表面状态)和“黑体”(受体仍为待测物体,但表面薰黑)两种状态的受体在相同的表面温度条件下，分别测出受到辐射后的受体温度，就可按公式计算出待测物体的黑度.具体步骤如下:1、 将热源腔体和受体(使用具有原来表面状态的物体作为受体)靠紧黑体腔体2、 用导线将仪器上的测温接线柱11与电位差计(用户自备)上的”未知”接线柱”+”“”极联接好.按电位计使用方法进行调零、校准并选好量程（XI档）3、 接通电源、调整热源、黑体腔体左和右的调温旋钮，使其相应的电压表指针调至红点位置，加热约分钟左右，通过测温转换开关，测试热源，黑体腔体左、黑体腔体右的温度，并根据测得的温度，微调相应电压旋钮，使其三点温度尽量一致4、 系统进入恒温后（各测温点基本接近，且在五分钟内各点温度波动小于），开始测试受体温度，当受体温度屋分钟的变化小于时，记下第一组数据。5、 取下受体，将受体冷却后，用松脂（带有松脂的松木）或蜡烛将受体薰黑，然后重复以上实验，测得第二组数据。将两组数据代入公式即可得出待测物体的黑度。6、注意事项）热源及腔体的温度不宜超过200）每次做原始状态实验时,用汽油或酒精将待测物体表面擦净,否则,实验结果将有较大出入.五、实验数据记录和处理1、实验数据记录，填写下表：序号热源mv传导 mv受体(紫铜表面)mv备注12123平均序号热源mv传导 mv受体(紫铜熏黑)mv备注12123平均2、计算黑度。根据(6)式本实验所用计算公式为:式中: 相对黑体的黑度,该值可假设为1. 待测物体(受体)的黑度. 受体与环境的温差. 黑体与环境的温差. 受体为相对黑体时热源的绝对温度. 受体为被测物体时热源的绝对温度. 相对黑体的绝对温度. 待测物体(受体)的绝对温度. 温度012345678910温度热电动势（mV）-40-1.475-1.510-1.544-1.579-1.614-1.648-1.682-1.717-1.751-1.785-1.819-40-30-1.121-1.157-1.192-1.228-1.263-1.299-1.334-1.370-1.405-1.440-1.475-30-20-0.757-0.794-0.830-0.867-0.903-0.940-0.976-1.013-1.049-1.085-1.121-20-10-0.383-0.421-0.458-0.496-0.534-0.571-0.608-0.646-0.683-0.723-0.757-1000.000-0.039-0.077-0.116-0.154-0.193-0.231-0.269-0.307-0.345-0.383000.0000.0390.0780.1170.1560.1950.2340.2730.3120.3510.3910100.3910.4300.4700.5100.5490.5890.6290.6690.7090.7490.78910200.7890.8300.8700.9110.9510.9921.0321.0731.1141.1551.19620301.1961.2371.2791.3201.3611.4031.4441.4861.5281.5691.61130401.6111.6531.6951.7381.7801.8221.8651.9071.9501.9922.03540502.0352.0782.1212.1642.2072.2502.2942.3372.3802.4242.46750602.4672.5112.5552.5992.6432.6872.7312.7752.8192.8642.90860702.9082.9532.9973.0423.0873.1313.1763.2213.2663.3123.35770803.3573.4023.4473.4933.5383.5843.6303.6763.7213.7673.81380903.8133.8593.9063.9523.9984.0444.0914.1374.1844.2314.277901004.2774.3244.3714.4184.4654.5124.5594.6074.6544.7014.7491001104.7494.7964.8444.8914.9394.9875.0355.0835.1315.1795.2271101205.2275.2755.3245.3725.4205.4695.5175.5565.6155.6635.7121201305.7125.7615.8105.8595.9085.9576.0076.0566.1055.1556.2041301406.2046.2546.3036.3536.4036.4526.5026.5526.6026.6526.7021401506.7026.7536.8036.8536.9036.9547.0047.0557.1067.1567.2071501607.2077.2587.3097.3607.4117.4527.5137.5647.6157.6667.7181601707.7187.7697.8217.8727.9247.9758.0278.0798.1318.1838.2351701808.2358.2878.3398.3918.4438.4958.5488.6008.65