有關(guān)傳熱學(xué)實驗

第三章 傳熱學(xué)的基本實驗第一節(jié) 用平板法測定保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)一、實驗?zāi)康挠闷桨宸y定保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)；確定導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系。二、實驗原理平板法測定保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)是以一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱原理為基礎(chǔ)，這時通過平板的熱流量為QF(tt h c于是 QF(tt于是h cδ；試材的面積；通過該面積的熱流量Qtt。于是試材的導(dǎo)熱系數(shù)可由式求出。h c三、實驗裝置3-1-1所示，加熱器12被冷卻水帶走，當(dāng)加熱器上1上下各一半，即通過任一側(cè)試材的熱流量1QIU2 t 1(t

t),t1(tt),1(

),h 2 2

3 c 21 4

2 1 2。δ、δ 為上下兩塊試材的厚度，要求兩塊1 2圖3-1-1 平板導(dǎo)熱裝置

試材的材質(zhì)一樣，且12。在加熱器水平方向填有保溫性能較好的材料4，當(dāng)試材厚度方向尺寸比寬度方向尺寸小很多時，可以忽略1—電加熱器2—試材；3—冷卻水套；4—保溫層；水平方向的熱損失。因此可以近似地認為該導(dǎo)5—熱電偶多點轉(zhuǎn)換開關(guān)；6—冰點；7—電位差計 熱是一維的。四、實驗步驟將試材烘干。記錄試材尺寸，當(dāng)試材的厚度為20~30mm時，兩塊試材平均厚度之差應(yīng)小于1mm,的兩表面上。tttt，以后每隔10分鐘測數(shù)據(jù)一次，直至系統(tǒng)達到熱穩(wěn)定狀態(tài)為止。

1 2 3 4改變電加熱器的電流、電壓，待系統(tǒng)達到熱穩(wěn)定后再次記錄所需數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)經(jīng)教師審閱后，整理現(xiàn)場方可離開。五、實驗結(jié)果整理對于大多數(shù)保溫材料其導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化有以下線性關(guān)系：λ=λ（1+bt）0

（3-1-2）λ =λ（1+bt）

（3-1-3）m 0 m式中，b——比例常數(shù)；t ——試材的平均溫度值，m圖3-1-2 導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化關(guān)系圖 tm

1(t2

t)c。測出不同tm

值下的導(dǎo)熱系數(shù)λ

λtm

=f（t）m m3-1-2所示。當(dāng)

=0m

，比例常數(shù)b為：0(b

)/t0m0o

tg0b1/℃，tgα3-2-1

及b的數(shù)值代入式3-1-，即得0所測試驗材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系式。也可用線性回歸法求出該關(guān)系式。六、實驗報告要求實驗的目的及裝置系統(tǒng)圖。記錄所用儀表的規(guī)格、型號、名稱。λ七、討論題怎樣判定熱流是否穩(wěn)定？第二節(jié) 球體法測定保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)一、實驗?zāi)康臏y定顆粒材料的導(dǎo)熱系數(shù)。二、實驗原理由同心等溫?zé)崆蛎妫ㄖ睆?，溫度）和冷球面（直徑，溫度）圍成的空間裝滿“均勻”試材，球的中心部位裝有電熱器，全中熱量均通過兩球中間顆粒材料夾層而傳至外界，利用球壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式可得顆粒材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ為： Q(d2d1)2dd(tt)121 212（3-2-1）圖3-2-1 球壁導(dǎo)熱裝

式中，Q——熱流量，W；λ——試材的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m℃）d——內(nèi)球的外徑（熱1球面，m；d——外球殼的內(nèi)111—內(nèi)球；2—外球；3—實驗材料；4—直流穩(wěn)壓電源；5—測溫?zé)釓剑ɡ淝蛎妫?，mm；t——熱球1電偶 面溫度，℃；t——冷球面溫度，℃。2內(nèi)外球壁溫度t1

Q、λ與t，把以上數(shù)據(jù)代入導(dǎo)熱系數(shù)計算式中即可求出 的數(shù)值。如λ2果試材是顆粒狀的，或纖維狀的，則所得到的是整體導(dǎo)熱系數(shù)或當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。三、實驗裝置圖球壁導(dǎo)數(shù)裝置如圖3-2-1所示。四、實驗步驟將實驗材料烘干，在稱其重量后將試材安裝入實驗裝置內(nèi)。按圖接線，經(jīng)檢查無誤后，接通電源加熱，加熱一段時間后測量t，直至全系統(tǒng)1 2達到熱穩(wěn)定狀態(tài)為止。記錄實驗數(shù)據(jù)。五、實驗結(jié)果整理將所測數(shù)據(jù)代入式3-2-λ。第三節(jié) 空氣沿橫管外表面自然對流時的換熱一、實驗?zāi)康臏y定空氣沿水平圓管外表面自然對流時的換熱系數(shù)。用計算器整理準則方程即確定Nu=GPnn”的值。二、實驗原理流體冷熱各部分由于密度不同所引起的運動叫做自然對流有：T

4 T

4Q(twtf)oFw 100 100 （3-3-1）αW（·℃；F——橫管外表面積，m2；t、Tw

——橫管的外表面溫度，m2；wt、T——周圍介質(zhì)的溫度，K；f fε0.1；o——黑體的輻射系數(shù)5.67W/(m2·K)。0α的關(guān)系式可；用下面準則關(guān)系式來表示：（3-3-2）Nuad式中， 圖3-3-1 自然對換熱裝置Δt=t-t，℃

Grgtd3u2λυ——空氣的運動粘度，Pr——空氣的普朗特數(shù)；g=9.81m/s2——重力加速度；wfd——水平圓管的外直徑；β——流體的體積膨脹系數(shù)1℃=1/T。定性溫度t=（t+t）/2。m wf通過實驗測得不同Δt及d時的α可得到一組對應(yīng)的（Gr·Pr）與Nu值，再用對數(shù)回歸法求出式3-3-。三、實驗裝置圖自然對流換熱裝置圖如圖3-3-1所示。四、實驗步驟按圖接線，經(jīng)老師檢查后，方可合上電源加熱。10tw

一次，直到進入熱穩(wěn)定狀態(tài)后方可正式測量數(shù)據(jù)。tQ。f檢查原始數(shù)據(jù)是否完全，經(jīng)教師審閱后再拆去電源，清理現(xiàn)場。五、實驗結(jié)果的整理電加熱器功率Q按下式計算：Q=IU壁溫可按算術(shù)平均溫度計算，即

t tw1tw2 twRw R按式（3-3-，算出此時的放熱系數(shù)α。由空氣溫度tf

和管壁溫度tw

確定定性溫度t=(t+t)/2，根據(jù)

查出各物性參數(shù)，并可算出各個準則。將各不同管徑上的實驗數(shù)據(jù)作成m wf m曲線圖，并整理了準則關(guān)系式，或用回歸法整理出準則關(guān)系式。六、實驗報告實驗?zāi)康模瑢嶒炑b置及線路圖。所用儀表的規(guī)格型號及精度。實驗過程的原始數(shù)據(jù)。計算舉例及計算表格。實驗結(jié)果的討論。七、討論題本實驗中要測量哪些量？如何整理實驗結(jié)果？如何分析實驗結(jié)果誤差？第四節(jié) 測定空氣橫掠圓管時的受迫對流換熱系數(shù)一、實驗?zāi)康臏y定空氣橫掠圓管時的受迫對流換熱系數(shù)。對流換熱準則方程式。二、實驗原理3-4-1

Qc (twtf)F （3-4-1）對流換熱系數(shù)α的定義式為式中，t——管壁平均溫度，℃；wt——流過圓管空氣的溫度，℃；fQ。c1風(fēng)箱；2—風(fēng)機；3—有機玻璃風(fēng)道試驗段；4不銹對流換熱系數(shù)α鋼管；5—硅整流電源；6—風(fēng)機入口；7—畢托管；8微壓計；913尺寸（直徑）—試驗管內(nèi)熱電偶；14—測量空氣溫度的熱電偶 系可寫成準則關(guān)系式Nu=f（Re·Pr）對于空氣，當(dāng)溫度變化不大時，Pr可看成常數(shù)，上式可寫成NuCRne式中， Nu——努謝爾特數(shù)，Nu=ad/λRe——雷諾數(shù)，Re=ud/υPr——普朗特數(shù)，Pr=υ/αd為管外徑u為流體在實驗管中最窄截面處的速度m/λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)W/·℃υ為流體的運動粘度2/λαυ可以用邊界t=(t+t)/2作為定性溫度查到。通過對實驗數(shù)據(jù)的整理，可求出式中m wf的待定常數(shù)C。三、實驗裝置空氣橫掠圓和受迫對流換熱裝置如圖3-4-1所示。四、實驗步驟選擇好某一直徑的實驗管，將其裝入實驗系統(tǒng)中。3-4-1接線。5，準備加熱實驗試件。6，給定風(fēng)速，待穩(wěn)定后畢托管78Δ。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)，測出穩(wěn)態(tài)狀況下，加熱管分壓箱上電壓降和標準電阻上的電勢E。1通過轉(zhuǎn)換開關(guān)，測出穩(wěn)定狀況下，試驗管內(nèi)的熱電偶電勢和空氣中熱電偶電勢。旋轉(zhuǎn)風(fēng)口，再次調(diào)整風(fēng)速，重復(fù)、、61010數(shù)據(jù)。改換不同直徑的試件，重復(fù)以上步驟。檢查原始數(shù)據(jù)是否完全，經(jīng)教師審閱后清理現(xiàn)場。五、實驗數(shù)據(jù)的整理加熱功率的計算U=B×Eυ

×10-3式中， B——分壓箱倍率E——經(jīng)分壓箱測得的電壓降，mV；加熱和加熱的電測為υI=2×EI標準電阻為150A75m，所以測得標準電阻上每1mV電壓降相當(dāng)于2A電流流過。E為標準電阻上所讀的毫伏數(shù)。r加熱功率為Q=IU根據(jù)管內(nèi)熱電偶測得的管內(nèi)壁溫度t，換算出管外壁溫度' Q

2r2 rt t 11 ln2w w L

r2r2 r 2 1 1式中， r、r——管子的內(nèi)外半徑1 2λ——管子導(dǎo)熱系數(shù)（取14W·℃）Q——工作段加熱功率，W；L——工作段有效長度，m。ρ、λ、υ等數(shù)值。2g2ghu再計算出流道中最窄面處的空氣速度u0.08uu0.08d雷諾數(shù)的計算Reudv換熱系數(shù)的計算這里要說明，由于空氣是透明的，所測所的熱流量除通過對流換熱傳給空氣以外，還有部分是輻射散發(fā)的熱流量。這里可以近似應(yīng)用大空間中小的凸形物體的輻射散熱計算公式。T

4 T 4Q

wfF r o100 100 式中， ε——管子表面的發(fā)射率（黑度；ζ——黑體輻射系數(shù)，取5.67W（2·4；ζ0T、T——管表面和周圍物體的絕對溫度，K；w fQ——輻射散發(fā)的熱流量，W。 T 4 T 4 QIUQ

Qr

t )

Fw fcT 4

w T 4

o 100 100IU

w

f

F o F(t t)w f努謝爾特數(shù)的計算Nuad數(shù)據(jù)整理將測試的結(jié)果制成表格（見表3-4-，3-4-。努謝爾特準則方程的得出作圖法 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，取lnNu，lnRe在坐標紙上描點，通過這些點作出最合理直線，求出此直線的斜率tgα。根據(jù)n=tgα和截α=lnC，可求得C和n?；貧w法 根據(jù)第一章所介紹的方法，回歸計算，利用本實驗所得到的Re和Tu的據(jù)，可求得式（3-4-2）中的C和n，這里的C和n相當(dāng)于式（1-2-1）中的α和n。第五節(jié) 換熱器實驗一、實驗?zāi)康摩。mε。。K與流速的關(guān)系。二、實驗原理換熱器計算涉及兩個基本公式：傳熱公式和熱平衡公式。傳熱公式 QKFt2) （3-5-1）Qp(t't")mc (t"t')熱平衡公式

11 1 2p22 2

(3-5-2)m表示流體的質(zhì)量流量kg/；c表示流體的定壓p圖3-5-1 換熱器順、逆流時的溫度分布比熱容J/(kg·，F(xiàn)表示換熱器的計算傳熱的計算傳熱面積2Δtmt tmaxtminm lntmaxΔtmax

與Δ

min

tmin (3-5-3)如圖3-5-1所示。同時也能推導(dǎo)出換熱器在順逆流時的傳熱效能ε。順流時1p

KF

(mcp)min

(mcp

1)min

(mcp

)max(mc1pmin逆流時

(mcp

)max (3-5-4)1exp

KF

(mcp)min

(mc

1min

(mcp

)max1(mcp)minexp Kf (mcp)min)max)maxp

)

(mcp

)min

(mcp

(3-5-5)傳熱效能根據(jù)定義還能寫成(t'(t't")maxt't'

(3-5-6)1 2式中下標min表示該物理量是同類量中最小的，下標man表示是最大的量。從以上公式還能說明換熱器在K、F、mc、mc

ε將大1p1 2p2于順流時的ε，也就是在上述條件下?lián)Q熱器在逆流時比順流時傳熱效果好。三、實驗裝置為了保證換熱器的流體具有不同的水當(dāng)量mcp

值。而且不污染實驗環(huán)境，該試驗熱流體液體換熱器。由于空氣的換熱系數(shù)遠小于水的換黃銅管，380mm的45mm4個球熱器的進出口各裝兩支最小分度為1/10℃的水銀溫度計。實驗裝置見圖3-5-2。熱換器以水側(cè)換熱面積作為計算圖3-5-2 換熱器實驗裝置圖 傳熱面積，F(xiàn)=0.0203m2。四、實驗步驟測定換熱器為順流工況時的數(shù)值。接通恒溫器電源，使恒溫器預(yù)熱。將恒溫器的水溫控制在所需溫度。啟動風(fēng)機。、324置于斷的狀態(tài)。調(diào)整水流量計下端的控制閥，使水流量控制在10L/h（Ll=10-3m3）并保持不變當(dāng)溫度計溫度不隨時間變化時測出 的溫度值。改變水流量使其達到15L/、20L/h并重復(fù)1（）步驟。測量換熱器為逆流工況時的數(shù)值243出口溫度。五、實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)整理根據(jù)對數(shù)平均溫差的公式計算出以上各工況下的對數(shù)平均溫差值。t tmaxtminm lntm