同济大学传热学实验报告

上海同新机电控制技术有限公司CAN-BridgeCopyrightByTongjiUniversity实验三横管的自然对流换热一、实验目的1.掌握自然对流条件下测定横管对流换热系数的方法。2.掌握将实验数据处理成准则关系式的方法，扩大实验结果的应用范围。二、实验原理换热设备中自由流动放热的经验公式，可以根据相似原理通过模型试验综合得出。所谓模型试验就是用缩小的模型观察换热设备中的换热规律，这要求模型与原型（指工业应用的换热设备）之间保持几何相似、流动相似和换热相似。根据相似理论，流体在自由流动情况下的对流放热规律可以整理成下列的准则关系式：Nu=fGr×Pr（式3-1如果取流体边界层中的平均温度tm=tf+Num=CGr×Prm如管表面具有均匀的温度，而远离横管的空气温度为，根据牛顿冷却公式，在稳定传热情况下，横管外表面传给空气的热量为Q=αFtw-tf若考虑横管外表面对四周环境也进行辐射放热，那么横管表面传出的热量Q必然是对流放热Qc和辐射放热QR二者只总和，即Q=QC+QR式中：σ—黑体的辐射放热系数，其值为5.67W/m2K4；ε—横管外表面的黑度，由表面材料确定，铜管外表面涂铬时ε可为已知值；αc如果在试验中能够测定圆管的表面温度tw，空气温度tf，以及横管表面所散出的热量Q，则对流放热系数αc=QCFtαc=QFt在不同的温差下，可以求得的不同数值。根据定性温度，可以把这些αc整理成多个无因次数值Num，Grm和Pr这里Num=αcdλm，Grm=三、实验装置本模拟试验是由四根直径各不相同的紫铜横管组成。每根横管外表面均镀有一层铬，使得各根横管都具有相同的黑度。横管两端加装保温材料，以减少横管的端部热损失。横管的一端开一小孔，以防止加热过程中管内空气的增压而导致压力过大。横管的内部各装一个电加热器，每个电加热器都从测试段两侧测得加热器的电压，从而尽可能地消除线路上的热损失。加热器的加热量可用自耦式调压器进行调节。输出功率通过装在电加热器电源上的电压表和电流表测出，并由变送器将数据送入数据采集系统。实验装置如图3.1所示。图3.1实验装置简图横管的外表面上焊有6组热电偶，用来测定横管外表面的温度，采用6点温度的平均值作为横管外表面的温度tw。另采用一组热电偶测量空气的温度t该试验装置安装在一个恒温房间中，在试验进行期间，实验测试人员不宜进入此房间，以免破坏横管附近空的正常自由流动，测试仪表均设置在邻室中，测试工作也在邻室中进行。四、实验步骤1.检查实验设备是否完好，确认后接通电源，检查仪表工作是否正常2.调节所需的功率，使四根横管分别处于四种不同的温度状态下，管径小的温度宜低些，管径大的温度宜高些。每10min中记录一次数据，待前后两次各点温度数据基本不变时，判断系统达到稳定。采用最后两次数据的平均值作为计算所用数据。3.实验结束后，应先将加热器电压调至零位，然后再关闭总电源，以避免再次开启设备造成损坏。五、实验数据的记录与处理1．将实验数据记录在表3.1中表3.1实验数据记录表管号横管各点温度（℃）壁温tw电流I电压U外径d长度l黑度123456ⅠⅡⅢⅣ2.先将实验数据代入下列各式进行计算：在稳定传热情况下，电加热器在测试段传出的热量为：Q=UI（式3-7）式中：U—电加热器的电压，V；I—电加热器的电流，A。根据所测数据，计算出横管的Num和(Gr·Pr)m数和其常用对数汇总填入表3.2中。表3.2计算结果汇总表管号NuGr∙Prlglg12342.用线性回归分析法求得自由对流换热经验公式由于（式3-2）是一个曲线方程，对此式左右两边取常用对数，使式3-2变为：lgNum=nlgGr·Prm+lgC采用最小二乘法将式3-8中的未知数C和n确定下来，具体计算通常可以用列表的方法进行，如表3.3和3.4所示。表3.4线形回归方程方程计算表一管号x=lgy=lgx2y2xy1234N＝4xyxyxy表3.5线形回归方程方程计算表二计算项目计算公式计算结果XXYY111111IxIyIxyNICY当常数n和C算出以后，对比（式3-8）和（式3-9）两个线性方程：y=nx+c（式3-9）则不难得出：C=antilgc（式3-10最后可以得出具体的回归方程（即准则方程式）如（式3-2）所示六、实验思考题1.本实验如不采用线形回归法处理数据是否可以用图解法求出准则关系式？2.如果有一根蒸汽管道沉浸在水中进行自由对流换热，则蒸汽管道的换热系数是否可以用本实验的准则关系式进行计算？3.模型试验有何优越性？试讨论之。4.为什么你在实验中得到的准则关系式与教材中介绍的准则关系式略有不同？实验四黑体辐射实验一、实验目的掌握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，可以求出物体i的净辐射换热量Qnet.iQnet,i=Qabs,i-式中：Qnet.i—i面的净辐射换热量，W；Qabsi—i面从其他表面吸收的热量，W；Qe.i—i面本身的辐射换热量，W；εi—i面的黑度；ψi(dk)—k面对i面的角系数；QUOTEEeff.kEeff,k—k面的有效辐射力，W/m2；Eb,i—i面的辐射力，W/m2；αi—iFi—i面的面积，m2根据本实验的设备情况，可以做如下假设：1.传导圆筒2为黑体；2.热源1、传导腔2、受体3的表面上温度均匀，如图4.1所示。1-热源2-传热圆筒3-受体图4.1辐射换热简图因此，（式4-1）可写成：Qnet，3=因为F1=F3；α3q3=Qnet,3F3由于受体3与环境主要以自然对流方程换热，因此：q3=αT3-T式中：α—换热系数；T3—待测物体（受体）温度，℃Tf—环境温度，℃由（式4-3）、（式4-4）式得：ε3=αT3-当热源1与黑体圆筒2的表面温度一致时，，并考虑到体系1、2、3为封闭系统，则：ψ1,3+ψ1,2由此，（式4-5）式可写成：ε3=αT3-T式中：σ—斯蒂芬—玻尔茨曼常数，其值为5.7×10-8w/m2k4。对于不同待测物体（受体）a，b的黑度ε为：εa=αaεb=αb设αaεaεb=T3a当b为黑体时，εb≈1，（6εa=T3a-T三、实验设备本实验所用的实验设备为中温法向辐射率测定仪，由热源、传导腔、受体、测温热电其示意图如图4.3所示。1.热源，2.传导腔，3.受体，4.电加热器图4.2中温法向辐射仪示意图四、实验方法和步骤1.本实验用比较法定性的测量物体的黑度，具体的方法是通过对三组加热器电压的调整（热源一组，传导体二组），使热源和传导体的测量点恒定在同一温度上，然后分别测出“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，但表面熏黑）在恒温条件下的温度，就可按公式计算出待测物体的黑度。2.具体步骤如下：（1）热源腔体和受体腔体（使用具有原来表面状态的物体作为受体）靠紧传导体，建议用汽油或酒精将待测物体表面擦净。（2）接通电源，拉开温度设定按钮使其设定到试验所需温度（热源及传导的温度不宜超过95℃），设定完成后推进温度设定按钮，系统自动跟踪设定温度。（3）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3℃），开始测试受体温度，当受体温度五分钟内的变化小于3℃时，记录第一组测试数据。“待测”受体实验结束。（4）取下受体，换上黑体，重复以上实验，取得第二组数据。（5）将两组数据带入公式即可得出待测物体的黑度。3.实验注意事项（1）热源及传导的温度不宜超过95℃。（2）每次做原始状态实验时，建议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、实验数据的记录与处理1.将实验数据记录在表4-1中表4.1实验数据记录表序号N0热源℃传导体℃受体（紫铜光面）℃室温℃12123平均℃序号N0热源℃传导体℃受体（紫铜熏黑）℃12123平均℃根据（式4-10）本实验所用计算公式为：QUOTEε待ε0=ΔT待T源4式中：QUOTEε0—黑体的黑度，该值可假设为1；ε待—待测物体ΔT待—待测物体与环境的温差，ΔT0—黑体与环境的温差，T源—受体为待测物体时热源的绝对温度，℃T源’—受体为黑体时热源的绝对温度，T0—黑体的绝对温度，℃；QUOTET待—待测物体的绝对温度，℃。五、实验思考题实验五热流计法测壁面导热系数一、实验目的1.通过实验巩固和深化导热过程的基本理论2.学习热流计法测定材料的导热系数。二、实验原理1.热流计原理如图5.1所示：图5.1热流计原理简图当稳定热流q穿过一面积F值大于厚度δ三个数量级以上的正方薄形导热体时，我们可以认为该薄形导热体内处于一维稳定导热状况，于是根据傅里叶定律：QUOTEq=λδt1-t2=对用作热流计探头的具体薄形导热材料（通常为硅橡胶），由于其面积、厚度及导热系数λ都是固定的，其两表面的温差热电堆信号就能直接显示出流过其内部单位面积上的热流量即热流密度：QUOTEQ=f(Δt)q=fΔt（式5-2）2.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化。各种材料的导热系数都是用实验方法来测定的，本实验就是用热流计来测定复合材料的导热系数：K=fλ1,λ2,λ3…λnQUOTE本实验是根据在一维稳态情况下，用热流计测量通过被测箱体壁的热流量q及其两面的温差与厚度，来求被测箱体壁的导热系数。测试时，如果将平板两面温差Δt=t1-t2、平板厚度δ、垂直热流力向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，λ=qδt1-t2需要指出的是，由于导热系数会随温度变化，所以我们必须定义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：tm=t1+t22三、实验装置及测量仪器该实验的电器连接图和实验装置如图5.2。实验台主要有热流计探头、电位差计、热流计、热电偶、加热器、被测箱体以及卡尺等组成。1-热流计探头2-电位差计3-多点热流计4-热电偶5-电加热丝6-被测箱体图5.2实验台的电器连接示意图四、实验方法和步骤1．测量被测件的厚度。2．按图5.2连接并仔细检查各接线电路。用电位差计测热电偶两端的电压确定温差。本实验所用的热电偶的压温转换系数是：33uV/℃（实际的压温转换系数根据热电偶材料确定）。3．从热流计上读取稳态时的热流密度和冰箱内表面温度。4．计算当量导热系数与平均温度5