传热学实验指导书

《传热学》课堂实验指导书课程中文名称：传热学课程英文名称：HeatTransfer课程编号：020060120适用专业：新能源科学与工程学时数：40学分数：2.5课程类别：专业课程实验一：非稳态法测试固体类材料的导热系数和比热实验实验类型：综合型实验学时：2实验要求：7人/组一、实验目的1．巩固非稳态导热的基本理论，学习用非稳态法测定非金属固体的导热系数和比热的实验方法和测试技能。2．测量绝热材料(不良导体)的导热系数和比热、掌握其测试原理和方法；3．明确导热系数随温度的变化关系。二、实验内容1．用非稳态法测定非金属固体的导热系数；2．测量绝热材料(不良导体)的导热系数和比热；3．获得非金属固体材料导热系数随温度的变化关系。三、仪器设备用该方法测试非金属固体材料的导热系数和比热的实验装置如图1所示，说明如下：图1实验装置简图1.电箱面板2.触摸屏3.实验台4.泡沫绝热层5.加热器6.试件(4个；自上往下分别为试件1、试件2、试件3、试件4)7.温度传感器(1)试件试件尺寸为120mm×120mm×δ，共四块，尺寸完全相同，δ=10mm。每块试件上下面要平齐，表面平整。(2)加热器采用高电阻康铜箔平面加热器，康铜箔厚度仅为20μm，加上保护箔的绝缘薄膜，总共只有70μm。其电阻值稳定，在0-100℃范围内几乎不变。加热器的面积和试件的端面积相同，也是120mm×120mm的正方形。两个加热器的电阻值应尽量相同，相差应在0.1%以内。(3)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。这样，可假定式（4）中的热量qc等于加热器发出热量的0.5倍。(4)温度传感器利用温度传感器测量试件2两面的温差及试件2、3接触面中心处的温升速率。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。图2触摸屏界面四、实验原理、方法、手段和步骤1．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2δ，初始温度为t0，平板两面受恒定的热流密度qc均匀加热(见图3)。求任意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3第二类边界条件无限大平板导热的物理模型时,x=0处，处，方程的解为： (1.1)式中：t—时间(s)；λ—平板的导热系数(w/(m∙℃))；—平板的导温系数(m2/s)；—n=1，2，3，……；F0—傅立叶准则；t0—初始温度(℃)；—沿x方向从端面向平板加热的恒定热流密度(w/m2)。随着时间t的延长，F0数变大，式(1.1)中级数和项愈小。当F0>0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式(1.1)变成： (1.2)由此可见，当F0>0.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是常数，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：平板加热面x=δ处为： (1.3)此两面的温差为：如已知qc和δ，再测出Δt，就可以由式(1.3)求出导热系数： (1.4)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：式中：F为试件的横截面(m2)；c为试件的比热(J/kg∙℃)；ρ为试件的密度(kg/m3)；为准稳态时的温升速率(℃/s)；由上式可得比热：实验时，以试件中心处为准。2．实验方法与步骤(1)接通电源，触摸屏界面如图2所示。(2)通过输入电压给加热器通以恒定电流，(实验过程中，电流不允许变化)，每隔一分钟记录试件2两侧温度值(热面和冷面温度，温度差)，经一段时间后(随所测材料而不同，一般在10-20分钟)系统进入准稳态。(3)第一次实验结束，停止加热，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。(4)实验全部结束后，停止加热，停止实验，切断电源，一切恢复原状。五、实验结果处理试件截面尺寸F=[m2]试件厚度δ=[m]试件材料密度ρ=[kg/m3]试件阻值R=[Ω]加热电压U=[V]时间（min）0123456789101112热点温度（℃）上热面温度冷面温度下热面温度温度差时间（min）13141516171819202122232425热点温度（℃）上热面温度冷面温度下热面温度温度差时间（min）26272829303132333435363738热点温度（℃）上热面温度冷面温度下热面温度温度差(1)计算热流密度；(2)计算准稳态时的温差；(3)计算准稳态时的温升速率；(4)计算试样的导热系数λ[w/m∙k]和比热c[J/kg∙℃]；(5)试件温度和温差与时间的关系曲线。六、实验注意事项1．实验过程中，为保持恒定的热流密度qc，加热器电流和电压不能变化；2．计算材料导热系数所需的温差必须时系统进入准稳态时的温差；3．若实验中途失败，须待试件冷却至室温后(4小时以上)才能再次进行实验。七、预习与思考题1．严格来说，本实验是否是一维导热，为什么？2．若实验中去掉上、下绝热体，对实验结果有何影响？实验二：空气纵掠单管强迫对流换热实验实验类型：综合型实验学时：2实验要求：7人/组一、实验目的1．了解实验装置，熟悉空气流速及平板壁温度的测量的方法，掌握测量仪器仪表的使用方法；2．测定空气横掠平板平均表面传热系数，并将结果整理成准则关系式；3．掌握强制对流换热实验数据的处理及误差分析方法。二、实验内容1．测量强迫对流时的空气流速和平板壁的温度；2．学会相关测量仪器仪表的使用方法；3．测定空气横掠平板平均表面传热系数，并将结果整理成准则关系式；4．对强迫对流换热实验数据进行处理和误差分析。三、仪器设备实验装置简图如下：图4实验装置简图1.离心风机2.毕托管3.实验风道4.铜板5.实验平板测温点6.进口空气测温点7.整流格栅8.进口集流器9.触摸屏10.变频器控制面板11.漏电保护器12.不锈钢可移动实验台架13.出口空气测温点。四、实验原理、方法、手段和步骤1．实验原理根据对流换热的量纲分析,稳态强制对流换热规律可以用下列准则关系式来表示：经验表明上式可以表示成下列形式： (2.1)对于空气，当温度变化不大时，普朗特数Pr变化很小，可以作为常数处理：故(2.1)式可表示为 (2.2)本实验的任务就是确定和n的值。因此就需要测定Nu，Re数中所包含的各个物理量。其中d为特征尺寸，在平板中是平板长度，为已知量，物性λ、v，按定性温度查表确定。表面传热系数h(单位：W/(m2‧K))不能直接测出，必须通过测加热量，壁温tw及流体平均温度tf，根据(2.3)式来计算： (2.3)其中：Q为电加热功率，A为平板外表面积。2．实验方法和步骤(1)将皮托管与差压传感器连接好，开启电源，进入系统界面，启动风机，调节风机频率使得风量为某一数值；(2)调节加热功率为某一值，作为一个实验工况，待壁温达到稳定(壁温热电偶的温度在五分钟内保持读数不变，即可认为已达到稳定状态)后，开始记录热电偶温度、电功率、空气进出口温度；(3)在一定热负荷下，通过调整风量来改变Re数的大小，因此保持加热功率不变，改变风机频率，测量空气进、出口温度以及加热管的壁面温度，即为不同风速下，同一负荷时的实验数据；(4)不同热负荷条件下的实验，仅需改变加热功率，重复上述实验步骤即可；(5)实验完毕后，先切断实验平板加热电源，待平板冷却后再关闭风机。五、实验结果处理1．数据整理(1)空气来流速度：空气来流速度u用毕托管测量，根据伯努利方程，毕托管所测得的气流动压p与气流速度u的关系如下：式中：ρ为空气密度，由空气来流温度查表确定。所以，空气来流速度为：[m/s](2)加热功率：加热功率Q可通过测量加热的电压降U和电流I来计算。Q=U‧I(3)空气来流温度及平板内外表面温度的测量：=1\*GB3①空气来流温度用K型热电偶测量，t∞；=2\*GB3②确定实验平板内壁面温度也用K型热电偶测量，tw；=3\*GB3③空气离开加热平板的温度用K型热电偶测量，tk。由于对流和辐射的影响，实验中直接测量平板外壁面温度很不准确，因此我们直接测量内壁面的温度，通过内壁面的温度以及加热电压，加热电流和铜板的传热面积、导热系数，可以计算出铜板的外壁面温度。由于铜板为上下两个面，在计算时要注意。本实验中主要测量平板前后的空气温度以及铜板的内壁面温度。实验平板为一个有内热源的上下对称的平板，而且内壁温度大于外壁温度。实验时，空气流速可调整4-5个工况，加热电流可根据平板的大小和厚度及风速大小适当调整，保证平板与空气间有适当的温差。(4)根据每次实验工况所测数据计算整理得出相应的Nu、Re的值，连同其它组的实验数据，在双对数坐标纸上，以Nu为纵坐标，Re为横坐标。将各个工况点标示出。它们的规律可以近似的用一条直线表示：则Nu、Re之间的关系可近似表示成幂函数形式：Nu=C‧Ren。根据实验数据用最小二乘法或作图方法得出上述关联式中的C和n的值。(5)计算定性温度tm对于空气横掠平板，选择空气被加热前和加热后的平均温度作为定性温度。(6)Re数计算中的特征速度确定对于空气横掠平板，特征速度等于来流速度，即为2．数据记录加热电压（V）加热电流（A）加热功率（W）风量（m3/h）进风温度（℃）板内温度1（℃）板内温度2（℃）室内温度（℃）出风温度（℃）板内温度3（℃）板内温度4（℃）腔体温度（℃）六、实验注意事项1．首先了解实验装置的各个组成部分，并熟悉仪表的使用，以免损坏仪器；2．为确保管壁温度不超出允许的范围，启动及工况改变时都必须注意操作顺序。启动电源之前，先将电源调节旋钮转至零