第三章 传热学的基本实验.docx

第三章 传热学的基本实验第一节 用平板法测定保温材料的导热系数一、实验目的（1）用平板法测定保温材料的导热系数（2）确定导热系数随温度变化的关系二、实验原理平板法测定保温材料的导热系数是以一维稳态导热原理为基础，这时通过平板的热流量九Q 飞 F （th于是Q§F（th - tc）图 3-1-1 平板导热装置图1 —电加热器 2 —试材；3—冷却水套；4 —保温层5—热电偶多点转换开关；6—冰点；7—电位差计在实验中需测得：试材的厚度& ；试材的面积F；通过该面积的热流量Q；试材的表面 温度th及t于是试材的导热系数可由式（3-1-1）求出hc三、实验装置实验本体如图3-1-1 所示，加热器1 产生的热量通过试材2被冷却水带走，当加热器上下的热传递条件基本一致时，产生的热量将是 上下 各一半，即通 过任一侧 试材的热流 量Q - 2IU2 在整理实验数据时，基中th 二 2（t2 + ‘3），tc 二 2（t1 + ”4），§ 二 2@1 +62）， ］、& 2为上下两块试材的厚度，要求两块 试材的材质一样，且§1 2在加热器水平 方向填有保温性能较好的材料 4，当试材厚度 方向尺寸比宽度方向尺寸小很多时，可以忽略 水平方向的热损失。

因此可以近似地认为该导 热是一维的四、实验步骤1. 将试材烘干2. 记录试材尺寸，当试材的厚度为20〜30mm时，两块试材平均厚度之差应小于1mm , 两块试材的容重应接近相等，并仔细地将试材装入实验装置内，将热电偶热接点紧贴在试材 的两表面上3. 按图接线，接通冷却水，合上电源加热，经一段时间后测量J t2、t3、t4，以后每隔 10分钟测数据一次，直至系统达到热稳定状态为止4. 改变电加热器的电流、电压，待系统达到热稳定后再次记录所需数据5. 实验数据经教师审阅后，整理现场方可离开五、实验结果整理对于大多数保温材料其导热系数随温度的变化有以下线性关系：图 3-1-2 导热系数随温度变化关系图入=入0f 1+bt)f 3-1-2)入=入0f 1+bt )f 3-1-3)m0式中， b—比例常数；t—m—试材的平均温度值t — (Jm 2 h+ tc )o由上式可知，材料的导热系数随温度呈现线性变化这时所得的导热系数 也代表平均温度时材料的导热系数测出不同t值下的导热系数入 值以后，以入为纵坐标，以t为横坐标，描出入=f（t）m m m m m曲线，如图3-1-2所示当t =0时纵坐标的截距为入o，比例常数b为：0（九一兀）/1 tgab — m 0 m 二 —九 九Co0b的单位为1/°C, tga为图3-2-1所示直线的斜率。

把入0及b的数值代入式（3-1-2）,即得 所测试验材料导热系数随温度变化的关系式也可用线性0 回归法求出该关系式六、实验报告要求1. 实验的目的及装置系统图2. 记录所用仪表的规格、型号、名称3. 记录并整理数据，计算导热系数入值七、讨论题 怎样判定热流是否稳定？第二节 球体法测定保温材料的导热系数一、实验目的测定颗粒材料的导热系数二、实验原理由同心等温热球面（直径，温度）和冷球面（直径，温度）围成的空间装满“均匀”试壁稳态导热公式可得颗粒材料的 导热系数入为：图 3-2-1 球壁导热装置1—内球；2—外球；3—实验材料；4—直流稳压电源；5—测温热 电偶材，球的中心部位装有电热器，全中热量均通过两球中间颗粒材料夹层而传至外界，利用球九二 Q(d2 - dJ2叫d2(ti - 12)(3-2-1) 式中，Q——热流量，W；入——试材的导热系数，W/（m°C） d] 内球的外径（热 球面），mm； d] 外球壳的内 径（冷球面）,mm； q 热球面温度，C；t2——冷球面温度，C测得通过试材的热流量Q、内外球壁温度-与t2,把以上数据代入导热系数计算式（3-2-2）中即可求出入的数值如 果试材是颗粒状]的，或2 纤维状的，则所得到的是整体导热系数或当量导热系数。

三、实验装置图球壁导数装置如图3-2-] 所示四、实验步骤]. 将实验材料烘干，在称其重量后将试材安装入实验装置内2. 按图接线，经检查无误后，接通电源加热，加热一段时间后测量t2，直至全系统 达到热稳定状态为止3. 记录实验数据五、实验结果整理将所测数据代入式（3-2-1），算出实验材料的导热系数入第三节 空气沿横管外表面自然对流时的换热一、实验目的1 测定空气沿水平圆管外表面自然对流时的换热系数2用计算器整理准则方程即确定Nu=C （G・P） n中“C” “n”的值 r r二、实验原理流体冷热各部分由于密度不同所引起的运动叫做自然对流大空间中的水平圆管被加热 时，它和周围介质(空气)之间的热交换除了靠自然对流热以外，还有管壁的辐射换热，即 有：Q =aF (tw-tf ZoF/ T )4w1100 丿3-3-1)式中，a——对流换热系数，W/ (m2 ・°C)；F 横管外表面积，m 按图接线，经老师检查后，方可合上电源加热 待加热一定时间后，每隔10分钟测量壁面温度t 一次，直到进入热稳定状态后方可W 正式测量数据t、T 横管的外表面温度，m2；W Wtf、Tf——周围介质的温度，K；£ 横管表面黑度，取值为0.1;Z 0——黑体的辐射系数5.67W/(m2・K)。

计算自然对换热系数a的关系式可；用下面准则关系式来表示:Nu=f (Gr • Pr)( 3-3-2)ad式中，图 3-3-1 自然对换热装置图Nu ——B gAtd 3 4九Gr —u2式中，入——空气的导热系数，W/ (m・C)； U ——空气的运动粘度，Pr——空气的普朗特数；g=9.81m/s2 重力加速度；△ t=t -L， Cwfd——水平圆管的外直径；B——流体的体积膨胀系数(1/C),对于空气，=1/Tm 定性温度 tm=( tw+tf) /2m w f通过实验测得不同△ t及d时的a可得到一组对应的(Gr・Pr)与Nu值，再用对数回归法求出式(3-3-2)三、实验装置图自然对流换热装置图如图 3-3-1 所示四、实验步骤五、实验结果的整理电加热器功率Q按下式计算:Q=IU£wi+ tw2+twR壁温可按算术平均温度计算，即按式(3-3-1),算出此时的放热系数a由空气温度tf和管壁温度t确定定性温度 fwt =(t +tf)/2，根据t查出各物性参数，并可算出各个准则将各不同管径上的实验数据作成 m w f m曲线图，并整理了准则关系式，或用回归法整理出准则关系式六、实验报告1. 实验目的，实验装置及线路图。

2. 所用仪表的规格型号及精度3. 实验过程的原始数据4. 计算举例及计算表格5. 实验结果的讨论七、讨论题1. 本实验中要测量哪些量？2. 如何整理实验结果？3. 如何分析实验结果误差？第四节 测定空气横掠圆管时的受迫对流换热系数一、实验目的1. 测定空气横掠圆管时的受迫对流换热系数Qc(tw -tf)F3-4-1)图 3-4-1 空气横掠圆管受迫对流换热装置1— 风箱；2—风机；3—有机玻璃风道试验段；4 不锈Q——管的对流换热量，Wc对流换热系数a与周围流体的2. 整理空气横掠圆管时受迫 对流换热准则方程式二、实验原理对流换热系数a的定义式为式中，t——管壁平均温度，°C；Wtf—流过圆管空气的温度，C；F——管壁的换热面积，m2；钢管； 5—硅整流电源；6—风机入口；7—毕托管；8 微压计；9—分压箱；10—转换开关；11—数字电压表；12—标准电阻；13—试验管内热电偶；14—测量空气温度的热电偶速度、流体的物性、换热面的几何尺寸（直径）等参数有关，这种关系可写成准则关系式Nu=f (Re • Pr)对于空气，当温度变化不大时， Pr可看成常数，上式可写成Nu = CRn e式中， Nu——努谢尔特数，Nu=ad/入Re——雷诺数，Re=ud/u Pr——普朗特数，Pr=u /a这里，d为管外径（m）； u为流体在实验管中最窄截面处的速度（m/s）；入为流体的导 热系数（W/m・C）； u为流体的运动粘度（m2/s）。

流体的物性参数入、a及U可以用边界 层平均温度 tm=（tw+tf）/2 作为定性温度查到通过对实验数据的整理，可求出式（3-4-2）中 的待定常数芒或n三、实验装置空气横掠圆和受迫对流换热装置如图3-4-1 所示四、实验步骤1. 选择好某一直径的实验管，将其装入实验系统中2. 按图 3-4-1接线3. 调整硅整流电源 5，准备加热实验试件4. 先开风，后加热启动风机，旋转风口6，给定风速，待稳定后毕托管7 和倾斜微压 计8测出空气的动压头△ ho5. 通过转换开关，测出稳态状况下，加热管分压箱上电压降和标准电阻上的电势Elo6. 通过转换开关，测出稳定状况下，试验管内的热电偶电势和空气中热电偶电势7. 旋转风口，再次调整风速，重复4、5、6、步骤可用10种不同的风速 得到10组 数据8. 改换不同直径的试件，重复以上步骤9. 检查原始数据是否完全，经教师审阅后清理现场五、实验数据的整理1. 加热功率的计算 加热管加热的电压为U=BXE X10-3u式中， B——分压箱倍率，B=201；E——经分压箱测得的电压降，mV；加热和加热的电测为 uI=2X EI标准电阻为150A/ (75mV),所以测得标准电阻上每1mV电压降相当于2A电流流过。

E为标准电阻上所读的毫伏数r加热功率为Q=IU2. 根据管内热电偶测得的管内壁温度t,换算出管外壁温度r22-r12r1丿式中，片、r2 管子的内外半径，m；入——管子导热系数(取14)，W/ (m・°C)Q——工作段加热功率，W； L——工作段有效长度，m3. 根据流体温度查出物性参数p、入、u等数值4. 最窄面处的空气速度的计算首先算出空气来流速度uU飞詁再计算出流道中最窄面处的空气速度u0.08uu =0.08 - d5. 雷诺数的计算udRe =-v6. 换热系数的计算 这里要说明，由于空气是透明的，所测所的热流量除通过对流换热传给空气以外，还有部分是辐射散发的热流量这里可以近似应用大空间中小的凸形物体的辐射散热计算公 式/ T ) 4 w 1100 丿式中，£ ——管子表面的发射率(黑度)；Z 0——黑体辐射系数，取5.67, W/(m2・ K4)；T、Tf——管表面和周围物体的绝对温度，K； wfQ——辐射散发的热流量，WoQ - IU = Qc + Qr NF(tw-tfoF(t A 4w1100 丿IU -8CoF(T A 4 w1100 丿F（tw-tf ）7. 努谢尔特数的计算adNu =—九8. 数据整理将测试的结果制成表格（见表3-。