传热学实验指导书

《传热学》实验指导书工程热物理教研室编华北电力大学（北京）二00六年九月实验总体目标通过本实验，加深学生对传热学基本原理的理解，掌握相关的测量方法，熟练使用相关的测量仪表，培养学生分析问题、解决问题的能力。适用专业热能与动力工程、建筑环境与设备工程、核科学与核工程先修课程高等数学、大学物理实验课时分配实验项目学时实验一非稳态（准稳态）法测量材料导热性能实验2实验一强迫对流单管外放热系数测定试验2实验三热管换热器实验2实验环境（对实验室、机房、服务器、打印机、投影机、网络设备等配置及数量要求）实验用器材及水电等齐全，布局合理，实验台满足2〜3人一组，能够满足实验的要求。在醒目的地方有实验原理的说明，便于教师讲解及学生熟悉实验的基本原理和方法。实验总体要求每一学期前两周下达实验教学任务，实验教师按照实验任务准备相应的实验设备，实验期间要求学生严格遵守实验室的各项规章制度。学生要提前预习实验内容，完成实验后按照规定格式写好实验报告，交给实验指导教师，实验指导教师根据实验课上的表现和实验报告给出成绩评定结果。本实验的重点、难点及教学方法建议传热学实验的重点是非稳态（准稳态）法测量材料导热性能实验、强迫对流单管外放热系数测定试验、热管换热器实验，这三个实验都是综合性实验，涉及到传热学的导热基本理论，单相对流换热，热边界层理论，相变换热理论，相似原理等方面的内容，实验仪器涉及到热电耦的使用及补偿方法，比托管的使用，电位差计的使用等等，需要学生对传热学的基本内容和基本概念有清楚的了解。难点是准稳态法测量材料的热性能实验时的测量时间不好把握，单管外放热系数实验中实验数据的整理中存在着一些技巧，另外如何调节热管的加热功率使之得到更好的热管性能曲线也存在一些技巧。教学方法：学生提前预习，做实验之前老师提问；学生仔细观察指导教师的演示；实验室对学生开放，一次没有做成功，或者想更好地掌握实验技巧的学生，可以跟指导教师预约时间另做。目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"实验一、非稳态（准稳态）法测量材料导热性能实验3\o"CurrentDocument"实验二强迫对流单管外放热系数测定试验7\o"CurrentDocument"实验三热管换热器实验13实验一非稳态（准稳态）法测量材料导热性能实验一、实验目的了解准稳态法测量绝热材料导热系数、比热容的基本原理和构思。掌握热电耦的使用及其补偿方法以及热流的测试方法。掌握由实验数据计算出导热系数和比热的方法。分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。二、实验类型综合性试验三、实验仪器实验装置如图1-1所示，说明如下：图1-1实验装置图1）试件试件尺寸为100mmx100mmx。，共四块，尺寸完全相同，6=10~16mm。每块试件上卜面要平齐，表面要平整。图1-2热电耦布置图2）加热器采用高电阻康铜箔平面加热器，康铜箔厚度仅为20Am，加上保护箔的绝缘薄膜，总共

只有70gm。其电阻值稳定，在0—100°C范围内几乎不变。加热器的面积和试件的端面积相同，也是100mmx100mm正方形。两个加热器的电阻值应尽量相同，相差应在0.1%以内。绝热层用导热系数比试件小的材料作绝热层，力求减少热量通过，使试件1、4与绝热层的接触面接近绝热。热电偶利用热电偶测量试件2两面的温差及试件2、3接触面中心处的温生速率，热电偶由0.1mm的康铜丝制成。实验时，将四个试件齐迭放在一起，分别在试件1和2及试件3和4之间放入加热器1和2,试件和加热器要对齐。热电偶的放置如图1-2，热电偶测温头要放在试件中心部位。放好绝热层后，适当加以压力，以保持各试件之间接触良好。四、实验原理本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。设平板厚度为25,初始温度为t0，平板两面受恒定的热流密度q均匀加热(见图1-3)。求任何瞬间沿平板厚度方向的温度分布t(x，t)。导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件如下：图1-3图1-3第二类边界条件无限大平板导热的物理模型dt(x,t)d21(x,t)=adidx2t=0时，t=10x=0处，"=0dxx=±5处，—&=qdxc方程的解为：t(x,t)—t0=八[J52—3x2+5^(—1)n+1三C0S3人565口2x5)exp(-口2F0)](1-1)式中：—时间(s)；t(x,t)—t0=八[J52—3x2+5^(—1)n+1三C0S3人565口2x5)exp(-口2F0)](1-1)加热的恒定热流密度(W/m2)；随着时间t的延长，Fo数变大，式(1-1)中级数和项愈小。当Fo>0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式(1-1)变成：t(E_t=保(竺十上一!)(1-2)0人S22S26由此可见，当F0>0.5后，平板各处温度和时间成线性关系，并且到处相同。这种状态称为准稳态。在准态时，平板中心面x=0处的温度为：温度随时间变化的速率是常数，t(0,t)-1=c(x-)0入S26平板加热面x=6处为：qSat1(1-3)t(S，t)-10=、(s+3)(1-4)此两面的温差为：At=t(S,t)—t(0,t)=-c2入如已知qc和0，再测出At，就可以求出导热系数：(1-5)X=巨2At(1-6)实际上，无限大平板是无法实现的，实验总是用有限尺寸的试件。一般可认为，试件的横向尺寸为厚度的6倍以上时，两侧散热试件中心的温度影响可以忽略不计。试件两端面中心处的温度差就等于无限大平板两端面的温度差。根据势平衡原理，在准稳态时，有下列关系：edtqF=CFpS^~dt式中：F一试件的横截面(m2)；C一试件的比热(J/kg°C)；p一试件的密度(kg/m3)；——dt一准稳态时的温升速率(C/s)；由上式可得比热：c=-^c-odtPSdtdt实验时，土以试件中心处为准。dt五、实验内容和要求用卡尺测量试件的尺寸，得到面积F和厚度3。按图1-1和图1-2放好试件、加热器和热电偶，接好电源，接通稳压器，并将稳压器预热10分钟(注：此时开关K是打开的)。接好热点偶与电位差计及转换开关的导线。校对电位差计的工作电流，然后，将测量转换开关拨至“1”测出试件在加热前的温度，此温度应等于室温。再将转换开关拨至“2”，测出试件两面的温差，此时，应指示为零热电势，测量出示值差最大不得超过0.004mv，即相应的初始温度差不得超过0.1C。接通加热器开关，给加热器通以恒定电流（试验过程中，电流不容许变化。此值事先经实验确定）。同时，启动秒表，每隔一分钟测读一个数值。奇数值时刻（1分，3分，5分……）测“2”端热点势的毫伏数，偶数值时刻（2分，4分，6分……），测“1”端热点势的毫伏数。这样，经过一段时间后（随所测材料而不同，一般为10〜20分钟），系统进入准稳状态，“2”端热点势的数值（即式（1-5）中的温差At）几乎保持不变。并计下加热器的电源值。第一次实验结束，将加热器开关K切断，取下试件及加热器，用电扇将加热器吹凉，待其和室温平衡后才能继续作下一次实验。但试件不能连续做实验，必须经过四小时以上放置，使其冷却至与室温平衡后，才能再作下一次实验。实验全部结束后，必须切断电源，一切恢复原状。实验数据记录室温t0：[°C]加热器电流I：[A]加热器电压U：[V]试件截面尺寸F：0.00126[tf]试件厚度6:0.009[m]试件材料密度p=1200[kg/m3]热流密度qc：[w/tf]时间[分]0123456热点温度[C]“1”“2”时间[分]78910111213热点温度[C]“1”“2”求出：热流密度qc[W/tf]准稳态时的温差^t（平均值）[C]准稳态时的温升速率也[C/小时]d做好实验数据的进一步分析和整理工作，并对测量误差进行分析。六、注意事项实验中要切记对热电偶冷端进行零点补偿，要对电位差计进行校准。输入电加热器的电压不得超过220V，电加热器最高温度不得超过100C。停止实验时，应先切断电热器。连续试验时要确保加热器和试样已冷却到室温并已平衡。七、思考题怎样判断加热过程已经达到了准稳态？实验中为什么要把四块试样叠放在一起？如果要测量导电体材料的导热系数和比热，是否可以采用准稳态法，如果可以如何改进和设计实验？实验中引起的测量误差由哪些，还可以采取哪些手段来进一步减少测量误差？实验二强迫对流单管外放热系数测定试验一、实验目的测定空气横向流过单圆管表面时的放热系数。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。通过相似原理的实际应用，加深对相似原理的了解。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。计算机在测试技术方面的应用。二、实验类型综合性实验三、实验仪器图2-1为空气横向流过单圆管表面时的放热实验装置。图2-1单圆管表面横向强迫对流放热实验装置示意图1-离心式风机；2-自动风机风门；3-软连接；4-毕托管；5-后测温点；6-后测静压点；7-紫铜管试件；8-前测静压点；9-前测温点；10-整流珊；11-进风喇叭口；12-角铁支架；13-实验台；14-毕托管差压传感器；15-加热开关；16-加热调节；17-风门开关（上开下关）；18-风机开关；19-加热电流表20-加热电压表；21-一十六位巡检仪；22-试验段阻力差压传感器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aXb（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。吸入口做成双扭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比托管、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f*用热电偶来测量。图2-2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-加热器图2-2为量热器简图。量热器用铜管做成，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3-3所示：图2-3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-测气表面度热电偶；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、实验原理根据牛顿公式物体表面对流放热量Qc可用下列计算：Q=a(t)F[W](2-1)式中：tw一圆管表面平均温度[°C]；tf一实验段前后流体的平均温度°C；F一圆管表面积[m2],F=兀dl；d、l分别为圆管的直径和长度；a一放热系数；[w/m2-C]因此有

(t-(t-t)kdl[W/m2,°C](2-2)根据相似理论，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:Nu=CNu=C-Re〃•Pr°.38•(2-3)MJ上式中定性温度为流体平均温度tf定型尺寸为管子直径、流速采用流体流过圆管时最窄处的流速。0.25是考虑不均匀物性场而附加的修正项。对于空气P产常数，故准则方程式为:Nu=C•Re"(2-4)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：Qc=Q-Qr圆管表面的辐射放热量Qr可由下式计算:•F[W](2-5)式中：£一为圆管表面黑度，对于铜管£=0.22；cb一绝对黑体的辐射系数cb=5.67[W/m2-K4]；Tw、^一分别为圆管表面和流体的平均绝对温度，•F[W]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”流体温度f管子直径d；管子长度l和空气流速u。在不同工况下测量以上数值，将每一工况下Ref值与Nuf值表示在对数坐标图上，如图2-4所示。图2-4图2-4确定参数之间关系的图解法用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：Y=A+nX即：lgN=lgC，+nlgR式中：lgC'=A；n=tan中，为直线和横坐标之间夹角中的正切。因此：实验曲线可用下面方程来表示：Nu=C'•Renc'=^~fffRenfC的值可以通过曲线上任一点处Nuf与Ref的数值计算出来。五、实验内容和要求按图2-1接好线路，调整好测量仪表。先关闭插板阀，再合上风机马达的电源，使风机在空载下起动，然后根据需要开启插板阀，以调节风量，待稳定后启用计算机数据采集系统。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。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）然后用计算机数据采集系统测量各热电偶的电势。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,直至试验结束。平均放热系数的数值可用下式计算：a=——Q~Qr——[W/m2、C]（2-6）（t-t）n-d-1式中：Q—电加热器所消耗的功率（W）Q=IU；U一加热器中的电压降，（V）；I一加热器中的电流强度，（A）；d及l一圆管的直径及长度，（m）；Qr一辐射放热量，按式（2-5）计算；八一管壁的平均温度（用每一对热电偶所对应温度的平均值）C；tf一流体的平均温度C。雷诺准则：R=此中流速^为风洞工作段截面上的平均流速（即流体过圆管时最ev窄截面处的流速）。w卬为流体通过比托管时，比托管所在处流体的流速m/s。该流速是通过差压变送器测量出其动压头然后用下式进行计算出的：w=<5[m/s]（2-7）cp'Pa式中：伞为比托管所在处风洞截面上测点动压头，单位Pa。实验记录1）基本数据:实验设备号：第台，所用热电偶种类：测量仪表名称：管子直径：d=0.032m；管子长度：l=0.45m；圆管散热面积：F=0.0452m2F=0.154X0.455=0.0555m2；Fb=0.155X0.085=0.013m2；比托管压力修正系数&=1.37；流量修正系数a=1.172)实验数据记录表及实验数据整理表。六、注意事项正确调整使用比托管；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；实验完毕应经教师检查同意后方可离去。整理数据时应注意，八应为加热前后流体温度的平均值，即t=L(t+t),t,ff2f1faf1f相差很小，一般tf-tf1牝0.4~0.8°C左右，因此tf的变化对空气的物性参数影响不大，为整理数据方便起见选量热器前空气温度f做为定性温度。应将速度换算成为圆管所在最窄截面处的速度，根据连续性方程：w-F=w-F式中：w,,一比托管所在截面之平均流速［m/s］；w—铜圆管所在处最窄面处的流速［m/s］；F，Fb一一分别为风洞、比托管所在截面及圆管所在最窄截面处的面积［m2］。七、思考题整个系统是负压运行的，是否可以采用正压运行，有什么优缺点？为什么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？如果不考虑辐射换热的影响，将会有什么样的结果？如果要测量外掠管束的换热系数，如何设计和改进实验？实验中引起测量误差的因素有哪些，怎样减少测量误差？实验三热管换热器实验一、实验目的了解热管换热器实验台的工作原理；熟悉热管换热器实验台的使用方法；掌握热管换热器换热量Q和传热系数K的测量和计算方法；二、实验类型综合性试验三、实验仪器热管换热器实验台的结构如下图3-1所示。实验台由翅片管（整体绕制）、热段风道、冷段风道、冷段和热段风机、电加热器、工况调节旋钮、热电偶、比托管测动压、支架等组成。•田.J供、扣帕!决电芯开关虻尸关、.….…一一一如热电朱表涔:0屯访，口图3-1•田.J供、扣帕!决电芯开关虻尸关、.….…一一一如热电朱表涔:0屯访，口热段管中的电加热器使空气加热，热风经热段风道时，通过翅片管进行换热和传递，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，利用比托管对冷、热段的出口风速进行测量，由万能信号输入巡检仪显示仪显示其数值，从而可以计算换热器的换热量Q和传热系数K。试验台参数如下：冷段出口内径：D=80mm；冷段翅片管处断面尺寸160mmx170mm；热段出口内径：D=80mm；热段翅片管处断面尺寸160mmx170mm；冷段传热表面参数：翅片管长160mm；钢管直径21mm；翅片直径40mm；翅片个数57个；翅片管数量8根；传热面积：0.42m2。热段传热表面参数：翅片管长160mm；钢管直径21mm；翅片直径40mm；翅片个数59个；翅片管数量8根；传热面积：0.43m2。加热功率：1500W；比托管修正系数热端：动压修正系数&=0.845；流量修正系数：a=0.925冷端：动压修正系数&=0.943；流量修正系数：a=0.980注：如对测数据要求较高，最好比托管修正系数应每年用风速仪进行校正。四、实验内容和要求连接冷段和冷段热电偶，压差传感器与比托管的连接胶管；接通电源；将功率调节开关旋至最小位置（逆时针），打开电加热器和风机开关开始工作;逐渐将功率调