傳熱實(shí)驗指導(dǎo)書

1、實(shí)驗三 平板導(dǎo)熱系數(shù)測定實(shí)驗一. 實(shí)驗?zāi)康?1.鞏固和深化穩(wěn)定導(dǎo)熱過程的基本理論，學(xué)習(xí)用平板法測定材料導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗方法和技能。 2.測定試驗材料的導(dǎo)熱系數(shù)。 3.確定試驗材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系。二.實(shí)驗原理 導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱能力的物理量。對于不同的材料，導(dǎo)熱系數(shù)是不同的；對同一材料，導(dǎo)熱系數(shù)還會隨著溫度、壓力、濕度、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和重度等因素而變異。各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)都用試驗方法來測定，如果要分別考慮因素的影響，就需要針對各種因素加以試驗，往往不能只在一種試驗設(shè)備上進(jìn)行。穩(wěn)態(tài)平板法是一種應(yīng)用一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的基本原理來測定材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法，可以用來進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測定試驗，測定材料的導(dǎo)熱

2、系數(shù)及其和溫度的關(guān)系。 試驗設(shè)備是根據(jù)在一維穩(wěn)態(tài)情況下通過平板的導(dǎo)熱量Q和平板兩面的溫差 成正比，和平板的厚度成正比，以及和導(dǎo)熱系數(shù)成正比的關(guān)系來設(shè)計的。 我們知道，通過薄壁平板（壁厚小于十分之一壁長和壁寬）的穩(wěn)定導(dǎo)熱量為 w 測定時，如果將平板兩面的溫差、平板厚度、垂直熱流方向的導(dǎo)熱面積F和通過平板的熱流量Q測定以后，就可以根據(jù)下式得出導(dǎo)熱系數(shù)： 需要指出，上式所得的導(dǎo)熱系數(shù)是在當(dāng)時的平均溫度下材料的導(dǎo)熱系數(shù)值，此平均溫度為： 在不同的溫度和溫差條件下測出相應(yīng)的值，然后將值標(biāo)在 坐標(biāo)圖內(nèi)，就可以得出 的關(guān)系曲線。三.實(shí)驗裝置及測量儀表穩(wěn)態(tài)平板法測定材料導(dǎo)熱系數(shù)的試驗裝置如圖1和圖2所示。被試

3、驗材料做成二塊方形薄壁平板試件，面積為300300，實(shí)際導(dǎo)熱計算面積F為200200，板的厚度為（實(shí)測），平板試件分別被夾緊在加熱器的上、下熱面和上、下水套的冷面之間。加熱器的上下面和水套與試件的接觸面都設(shè)有銅板，以使溫度均勻。利用薄膜式加熱片來實(shí)現(xiàn)對上、下試件熱面的加熱，而上下導(dǎo)熱面積水套的冷卻面是通過循環(huán)冷卻水（或通過自來水）來實(shí)現(xiàn)的。在中間200200部位上安設(shè)的加熱器為主加熱器。為了使主加熱器的熱量能夠全部單向通過上下兩個試件，并通過水套的冷水帶走，在主加熱器四周（即200200之外的四側(cè)）設(shè)有四個輔助加熱器，測試時控制使主加熱器以外的四周保持與中間主加熱器的溫度相一致，以免熱流量向旁

4、側(cè)散失。主加熱器的中心溫度t1(或t2)和水套冷面的中心溫度t3(或t4)用四個鎳鉻-康銅熱電偶埋設(shè)在銅板上來測量：輔助加熱器1和輔助加熱器2的熱面也分別設(shè)置兩個輔助鎳鉻-康銅熱電偶t5和t6（埋設(shè)在銅板的相應(yīng)位置上）。其中輔助熱電偶t5(或t6)接到溫度巡檢儀上，與主加熱器中心的主熱電偶t1（或t2）的溫度相比較，通過跟蹤調(diào)節(jié)使全部輔助加熱器都跟蹤與主加熱器的溫度相一致。而在試驗進(jìn)行時，可以通過熱電偶t1(或t2)和熱電偶t3(或t4)測量出一個試件的兩個表面的中心溫度。也可以再測量一個輔助熱電偶的溫度，以便與主熱電偶的溫度相比較，從而了解主、輔加熱器的控制和跟蹤情況。溫度是利用萬能信號輸入

5、8電巡檢儀測量的，主加熱器的電功率可以用直流穩(wěn)壓電源的電壓表和電流表來測量。 Q=IU （W）注：本試驗臺的外圍應(yīng)有保溫材料，以免熱量向周圍散失過多。圖1 試驗臺（平板導(dǎo)熱儀）結(jié)構(gòu)示意圖附試驗臺主要參數(shù)1.試驗材料：2.試件外型尺寸：2702703.導(dǎo)熱計算面積F：200200（即主加熱器的面積）4.試件厚度：（實(shí)測） 5.主加熱器電阻值：100 6.輔加熱器（每個）電阻值： 4257.熱電偶：E型 8.試件最高加熱溫度：80 9.主加熱器電壓直流 050V，電流 02A （可調(diào)） 10輔助加熱器電壓直流 050V，電流 02A （可調(diào)）四.實(shí)驗方法和步驟將兩個平板試件仔細(xì)地安裝在加熱器的上下

6、面，試件表面應(yīng)與銅板嚴(yán)密接觸，不應(yīng)有空隙存在。在試件、加熱器和水套等安裝入位后，應(yīng)在上面加壓一定的重物，或用自動控制壓緊裝置壓緊，以使它們都能緊密接觸。圖2 試驗臺（平板導(dǎo)熱儀）面板電路聯(lián)結(jié)圖 2.聯(lián)接和仔細(xì)檢查各接線電路。將主加熱器的兩根導(dǎo)線接到儀表箱的主加熱器電源接線端子上：而兩個輔助加熱器是經(jīng)兩兩并聯(lián)后再串聯(lián)組成的串聯(lián)電路（實(shí)驗臺上已聯(lián)接好），同樣將輔助加熱器的兩根導(dǎo)線接到儀表箱的輔助加熱器電源接線端子上。電壓表和電流表（或電功率表）應(yīng)按要求接入電路。將測溫?zé)犭娕紅1、t2、t3、t4、t5、t6、的導(dǎo)線接到配電箱對應(yīng)的接線端子上。關(guān)閉主、輔加熱電源開關(guān)及水泵開關(guān)；打開總電源開關(guān)。并檢查

7、各熱電阻信號（溫度）是否正常（基本一致）。 3. 打開水泵開關(guān)，檢查冷卻水水泵及其通路能否正常工作，調(diào)節(jié)水閥門開度應(yīng)盡量一致。 4.接通主加熱器電源，并調(diào)節(jié)到合適的電壓（建議由低至高間隔5V或10V逐漸分段加熱），開始加溫，然后開啟輔助加熱電源使加溫電壓與主加熱器電壓接近，一段時間后，觀察輔助加熱面的溫度是否與主加熱面的溫度一致，然后適當(dāng)調(diào)整輔助加熱器的電壓（高則降低、低則增加）來跟蹤調(diào)整使主、輔加熱溫度相一致。在加溫過程中，可通過各測溫點(diǎn)的測量值來控制和了解加熱情況。開始時，可先不啟動冷水泵，待試件的熱面溫度達(dá)到一定水平后，再啟動水泵（或接通自來水），向上下水套通入冷卻水。試驗經(jīng)過一段時間后

8、，試件的熱面溫度和冷面溫度開始趨于穩(wěn)定。在這個過程中可以適當(dāng)調(diào)節(jié)主加熱器電源、輔助加熱器電源的電壓，使其更快或更利于達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。待溫度基本穩(wěn)定后，就可以每隔一段時間進(jìn)行一次電功率W（或電壓V和電流I）讀數(shù)記錄和溫度測量，從而得到穩(wěn)定的測試結(jié)果。 5.一個工況試驗后，可以將設(shè)備調(diào)到另一工況，既調(diào)節(jié)主加熱器功率后，再按上述方法進(jìn)行測試得到另一工況的穩(wěn)定測試結(jié)果。調(diào)節(jié)的電功率不宜過大，一般在510W為宜。 6.根據(jù)實(shí)驗要求，進(jìn)行多次工況的測試。（工況以從低溫到高溫為宜）。 7.測試結(jié)束后，先切斷加熱器電源，經(jīng)過10分鐘左右再關(guān)閉水泵（或停放自來水）。五.實(shí)驗結(jié)果處理 實(shí)驗數(shù)據(jù)取實(shí)驗進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后的

9、連續(xù)三次穩(wěn)定結(jié)果的平均值。導(dǎo)熱量（即主加熱器的電功率）：Q=W（或IV） WW主加熱器的電功率值 WI主加熱器的電流值 AV主加熱器的電壓值 V 由于設(shè)備為雙試件型，導(dǎo)熱量向上下兩個試件（試件1和試件2）傳導(dǎo)，所以 W 試件兩面的溫差： tR試件的熱面溫度（即t1或t2） tL試件的冷面溫度（即t1或t2） 平均溫度為 平均溫度為時的導(dǎo)熱系數(shù)： 將不同平均溫度下測定的材料導(dǎo)熱系數(shù)在坐標(biāo)中得出的關(guān)系曲線，并求出的關(guān)系式。穩(wěn)態(tài)平板法測定絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗實(shí)驗報告要求：一、實(shí)驗原理、實(shí)驗儀器工作流程、實(shí)驗步驟、實(shí)驗結(jié)果二、思考題1.為了建立一維穩(wěn)定的溫度場，本實(shí)驗裝置采取了哪些措施？2.如果試件表

10、面不平整時，測得的導(dǎo)熱系數(shù)將偏大還是偏小？為什么？3.本實(shí)驗裝置為什么僅限于測定非金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)？對被測試材的導(dǎo)熱系數(shù)范圍有無限制？為什么？4.本應(yīng)測量試件冷、熱表面溫度的，但在本實(shí)驗裝置中，熱電偶是埋設(shè)在均熱板面上和冷卻器面上而不是埋設(shè)在試件表面上。這是為什么？5.如果只有一塊試件，能否用本實(shí)驗裝置進(jìn)行測試？怎樣進(jìn)行實(shí)驗？6.如果某試材的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度呈線性變化,在用本裝置測定其導(dǎo)熱系數(shù)時共做了幾次實(shí)驗，事后發(fā)現(xiàn)兩塊試件厚度不等，試問如何整理數(shù)據(jù)？7.是否可用此儀器測試濕材料的導(dǎo)熱系數(shù)？8.用穩(wěn)態(tài)平板法測液體導(dǎo)熱系數(shù)時要考慮哪些因素？應(yīng)怎樣進(jìn)行實(shí)驗？實(shí)驗五 沸騰放熱實(shí)驗一、試驗?zāi)康?觀察

11、水在大容器內(nèi)沸騰的現(xiàn)象，加深對泡狀沸騰的認(rèn)識。2測定水泡狀沸騰放熱時的放熱系數(shù)，繪制大容器內(nèi)水泡狀沸騰的換熱特性曲線（q曲線）3通過數(shù)據(jù)處理，了解大容器內(nèi)水沸騰換熱的規(guī)律。二、實(shí)驗原理在盛滿蒸餾水的大容器內(nèi)，使水達(dá)到飽和溫度后對試件通電加熱，試件表面上不斷產(chǎn)生氣泡和躍離，形成穩(wěn)定的泡狀沸騰換熱現(xiàn)象。當(dāng)改變加熱功率時，就改變了熱源管表面的熱負(fù)荷，可以觀察到氣泡的形成，擴(kuò)大和躍離過程以及泡狀核心隨著試件熱負(fù)荷提高而增加的現(xiàn)象。如熱負(fù)荷增大至一定程度后，所產(chǎn)生的氣泡在管壁面逐漸形成連續(xù)的汽膜，就由泡態(tài)沸騰向膜態(tài)沸騰過渡。此時壁溫會迅速升高，以至?xí)⒃嚰龤?。測出泡狀沸騰時的加熱功率及試件壁溫，可以得

12、出泡狀沸騰時壁面溫度與水飽和溫度之差隨熱負(fù)荷變化的曲線，計算出泡狀沸騰放熱系數(shù)。試件參數(shù)單位管子內(nèi)徑mm2.66.0管子外徑mm3.05.4管子壁厚mm0.20.3工作段長度L m0.140.14熱源管的發(fā)熱量由流過它的電流及其工作段的電壓降來確定，在試件兩端測量熱電壓降，電流與該電壓降相乘得到的功率值，就是試件表面的散熱量Q。試件外壁溫度t2很難直接測定，對不銹鋼管試件，可利用插入管內(nèi)熱電偶測出管內(nèi)溫度t1，再通過計算求出t2。三、試驗裝置（見附圖）試驗裝置主要包括玻璃大容器、試件，大功率直流電源、輔助加熱裝置及測量系統(tǒng)。試件由不銹鋼管制成，其兩端通過電極引入低壓大電流加熱。為了便于觀察，熱

13、源管放在盛有蒸餾水的玻璃容器中。低壓大電流由功率直流電源提供，熱源管的發(fā)熱量由流過熱源管的電流和工作段兩端的電壓來確定。熱源管內(nèi)壁溫度和水的飽和溫度由熱電偶測量，外壁溫度通過計算得到。為使蒸餾水達(dá)到飽和溫度，試驗前先用輔助電熱器將水加熱到沸騰，并保持其沸騰狀態(tài)，即可進(jìn)行試驗。作泡狀沸騰換熱試驗時，可選用下表中不同直徑的不銹鋼管。四、試驗步驟1、玻璃容器內(nèi)充蒸餾水至4/5高度；將試驗裝置測量線路接好，接通工作電源。2、輔助電熱器通電，當(dāng)容器中水沸騰后，調(diào)節(jié)降低工作電壓，使沸騰緩慢，以便能清晰觀察試件。3、觀察大容器內(nèi)水沸騰的基本現(xiàn)象。啟動功率直流穩(wěn)壓電源，緩慢地加大熱源管的工作電流，注意觀察下列

14、的沸騰現(xiàn)象：a、在鋼管的某些固定點(diǎn)上逐漸形成氣泡，并不斷擴(kuò)大，達(dá)到一定大小后，汽泡躍離管壁，漸漸上升，最后離開水面，產(chǎn)生汽泡的固定點(diǎn)稱為汽化核心，汽泡躍離后，又有新的汽泡在住房汽化核心產(chǎn)生，如此再而復(fù)始，有一定的周期。b、隨熱源管工作電流增加，熱負(fù)荷加大，管壁上汽化核心的數(shù)目增加，汽泡躍離的頻率也相應(yīng)加大。c、如熱負(fù)荷增大至一定程度后，所產(chǎn)生的汽泡就會在管壁面逐漸形成連續(xù)的汽膜，由泡態(tài)沸騰向膜態(tài)沸騰過渡，此時壁溫會迅速升高，以至將鋼管燒毀（因此，本試驗工作電流不允許超過100安培）。d、為了測定不同熱負(fù)荷下放熱系數(shù)的變化，工作電流在50-98安培范圍內(nèi)改變，共測78個工況，每改變一個工況，待各

15、讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)。e、調(diào)換不同直徑的不銹鋼管，進(jìn)行上述試驗。f、試驗結(jié)束前應(yīng)將功率直流穩(wěn)壓電源旋至零值，然后切斷電源。五、數(shù)據(jù)整理與計算1、電流流過熱源管，在工作段ab間的發(fā)熱量Q： Q=IU （W）式中：I流過試件的電流（A） U工作段ab間電壓（V）2、試件表面熱負(fù)荷q： q=Q/F (W/m2)式中：F工作段ab間的表面積（m2）3、鋼管外表面溫度t2試件為圓管時，按有內(nèi)熱源的長圓管，其管外表面為對流放熱條件，管內(nèi)壁面絕熱時，根據(jù)管內(nèi)溫度可以計算外壁溫度：式中：不銹鋼管導(dǎo)熱系數(shù)=16.3(W/m)；L工作段ab長度（m）；計算系數(shù)4、泡態(tài)沸騰時放熱系數(shù)在穩(wěn)定情況下，電流流過熱源管發(fā)生的熱量全部通過外表面由水沸騰換熱而帶走，即： Q=F（t2-ts） (w)所以 =Q/Ft （W/m2） t=t2-ts (C)六、實(shí)驗報告要求1、在方格紙上，以q為縱坐標(biāo)，t為橫坐標(biāo)將各測試點(diǎn)繪出，并連成曲線。2、將實(shí)驗結(jié)果與邏遜瑙整理推薦的泡態(tài)沸騰熱負(fù)荷q與溫度t的關(guān)系式：進(jìn)行比較，分析討論系數(shù)Csf變化帶來的影響。實(shí)驗原始數(shù)據(jù)記錄及參數(shù)計算試驗管直徑：D2= 工