傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

《傳熱學(xué)》課堂實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書課程中文名稱：傳熱學(xué)課程英文名稱：HeatTransfer課程編號：020060120適用專業(yè)：新能源科學(xué)與工程學(xué)時(shí)數(shù)：40學(xué)分?jǐn)?shù)：2.5課程類別：專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)一：非穩(wěn)態(tài)法測試固體類材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)類型：綜合型實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)要求：7人/組一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．鞏固非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的基本理論，學(xué)習(xí)用非穩(wěn)態(tài)法測定非金屬固體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱的實(shí)驗(yàn)方法和測試技能。2．測量絕熱材料(不良導(dǎo)體)的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱、掌握其測試原理和方法；3．明確導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．用非穩(wěn)態(tài)法測定非金屬固體的導(dǎo)熱系數(shù)；2．測量絕熱材料(不良導(dǎo)體)的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱；3．獲得非金屬固體材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。三、儀器設(shè)備用該方法測試非金屬固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，說明如下：圖1實(shí)驗(yàn)裝置簡圖1.電箱面板2.觸摸屏3.實(shí)驗(yàn)臺4.泡沫絕熱層5.加熱器6.試件(4個(gè)；自上往下分別為試件1、試件2、試件3、試件4)7.溫度傳感器(1)試件試件尺寸為120mm×120mm×δ，共四塊，尺寸完全相同，δ=10mm。每塊試件上下面要平齊，表面平整。(2)加熱器采用高電阻康銅箔平面加熱器，康銅箔厚度僅為20μm，加上保護(hù)箔的絕緣薄膜，總共只有70μm。其電阻值穩(wěn)定，在0-100℃范圍內(nèi)幾乎不變。加熱器的面積和試件的端面積相同，也是120mm×120mm的正方形。兩個(gè)加熱器的電阻值應(yīng)盡量相同，相差應(yīng)在0.1%以內(nèi)。(3)絕熱層用導(dǎo)熱系數(shù)比試件小的材料作絕熱層，力求減少熱量通過，使試件1.4與絕熱層的接觸面接近絕熱。這樣，可假定式（4）中的熱量qc等于加熱器發(fā)出熱量的0.5倍。(4)溫度傳感器利用溫度傳感器測量試件2兩面的溫差及試件2、3接觸面中心處的溫升速率。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將四個(gè)試件齊迭放在一起，分別在試件1和2及試件3和4之間放入加熱器1和2，試件和加熱器要對齊。圖2觸摸屏界面四、實(shí)驗(yàn)原理、方法、手段和步驟1．實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)是根據(jù)第二類邊界條件，無限大平板的導(dǎo)熱問題來設(shè)計(jì)的。設(shè)平板厚度為2δ，初始溫度為t0，平板兩面受恒定的熱流密度qc均勻加熱(見圖3)。求任意瞬間沿平板厚度方向的溫度分布T(x,t)。導(dǎo)熱微分方程式、初始條件和第二類邊界條件如下：圖3第二類邊界條件無限大平板導(dǎo)熱的物理模型時(shí),x=0處，處，方程的解為： (1.1)式中：t—時(shí)間(s)；λ—平板的導(dǎo)熱系數(shù)(w/(m?℃))；—平板的導(dǎo)溫系數(shù)(m2/s)；—n=1，2，3，……；F0—傅立葉準(zhǔn)則；t0—初始溫度(℃)；—沿x方向從端面向平板加熱的恒定熱流密度(w/m2)。隨著時(shí)間t的延長，F(xiàn)0數(shù)變大，式(1.1)中級數(shù)和項(xiàng)愈小。當(dāng)F0>0.5時(shí)，級數(shù)和項(xiàng)變得很小，可以忽略，式(1.1)變成： (1.2)由此可見，當(dāng)F0>0.5后，平板各處溫度和時(shí)間成線性關(guān)系，溫度隨時(shí)間變化的速率是常數(shù)，并且到處相同。這種狀態(tài)稱為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。在準(zhǔn)態(tài)時(shí)，平板中心面x=0處的溫度為：平板加熱面x=δ處為： (1.3)此兩面的溫差為：如已知qc和δ，再測出Δt，就可以由式(1.3)求出導(dǎo)熱系數(shù)： (1.4)實(shí)際上，無限大平板是無法實(shí)現(xiàn)的，實(shí)驗(yàn)總是用有限尺寸的試件。一般可認(rèn)為，試件的橫向尺寸為厚度的6倍以上時(shí)，兩側(cè)散熱試件中心的溫度影響可以忽略不計(jì)。試件兩端面中心處的溫度差就等于無限大平板兩端面的溫度差。根據(jù)勢平衡原理，在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，有下列關(guān)系：式中：F為試件的橫截面(m2)；c為試件的比熱(J/kg?℃)；ρ為試件的密度(kg/m3)；為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫升速率(℃/s)；由上式可得比熱：實(shí)驗(yàn)時(shí)，以試件中心處為準(zhǔn)。2．實(shí)驗(yàn)方法與步驟(1)接通電源，觸摸屏界面如圖2所示。(2)通過輸入電壓給加熱器通以恒定電流，(實(shí)驗(yàn)過程中，電流不允許變化)，每隔一分鐘記錄試件2兩側(cè)溫度值(熱面和冷面溫度，溫度差)，經(jīng)一段時(shí)間后(隨所測材料而不同，一般在10-20分鐘)系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。(3)第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束，停止加熱，取下試件及加熱器，用電扇將加熱器吹涼，待其和室溫平衡后才能繼續(xù)作下一次實(shí)驗(yàn)。但試件不能連續(xù)做實(shí)驗(yàn)，必須經(jīng)過四小時(shí)以上放置，使其冷卻至與室溫平衡后，才能再作下一次實(shí)驗(yàn)。(4)實(shí)驗(yàn)全部結(jié)束后，停止加熱，停止實(shí)驗(yàn)，切斷電源，一切恢復(fù)原狀。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理試件截面尺寸F=[m2]試件厚度δ=[m]試件材料密度ρ=[kg/m3]試件阻值R=[Ω]加熱電壓U=[V]時(shí)間（min）0123456789101112熱點(diǎn)溫度（℃）上熱面溫度冷面溫度下熱面溫度溫度差時(shí)間（min）13141516171819202122232425熱點(diǎn)溫度（℃）上熱面溫度冷面溫度下熱面溫度溫度差時(shí)間（min）26272829303132333435363738熱點(diǎn)溫度（℃）上熱面溫度冷面溫度下熱面溫度溫度差(1)計(jì)算熱流密度；(2)計(jì)算準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫差；(3)計(jì)算準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫升速率；(4)計(jì)算試樣的導(dǎo)熱系數(shù)λ[w/m?k]和比熱c[J/kg?℃]；(5)試件溫度和溫差與時(shí)間的關(guān)系曲線。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1．實(shí)驗(yàn)過程中，為保持恒定的熱流密度qc，加熱器電流和電壓不能變化；2．計(jì)算材料導(dǎo)熱系數(shù)所需的溫差必須時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫差；3．若實(shí)驗(yàn)中途失敗，須待試件冷卻至室溫后(4小時(shí)以上)才能再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。七、預(yù)習(xí)與思考題1．嚴(yán)格來說，本實(shí)驗(yàn)是否是一維導(dǎo)熱，為什么？2．若實(shí)驗(yàn)中去掉上、下絕熱體，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有何影響？實(shí)驗(yàn)二：空氣縱掠單管強(qiáng)迫對流換熱實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)類型：綜合型實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)要求：7人/組一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解實(shí)驗(yàn)裝置，熟悉空氣流速及平板壁溫度的測量的方法，掌握測量儀器儀表的使用方法；2．測定空氣橫掠平板平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，并將結(jié)果整理成準(zhǔn)則關(guān)系式；3．掌握強(qiáng)制對流換熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及誤差分析方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．測量強(qiáng)迫對流時(shí)的空氣流速和平板壁的溫度；2．學(xué)會相關(guān)測量儀器儀表的使用方法；3．測定空氣橫掠平板平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，并將結(jié)果整理成準(zhǔn)則關(guān)系式；4．對強(qiáng)迫對流換熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和誤差分析。三、儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)裝置簡圖如下：圖4實(shí)驗(yàn)裝置簡圖1.離心風(fēng)機(jī)2.畢托管3.實(shí)驗(yàn)風(fēng)道4.銅板5.實(shí)驗(yàn)平板測溫點(diǎn)6.進(jìn)口空氣測溫點(diǎn)7.整流格柵8.進(jìn)口集流器9.觸摸屏10.變頻器控制面板11.漏電保護(hù)器12.不銹鋼可移動實(shí)驗(yàn)臺架13.出口空氣測溫點(diǎn)。四、實(shí)驗(yàn)原理、方法、手段和步驟1．實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)對流換熱的量綱分析,穩(wěn)態(tài)強(qiáng)制對流換熱規(guī)律可以用下列準(zhǔn)則關(guān)系式來表示：經(jīng)驗(yàn)表明上式可以表示成下列形式： (2.1)對于空氣，當(dāng)溫度變化不大時(shí)，普朗特?cái)?shù)Pr變化很小，可以作為常數(shù)處理：故(2.1)式可表示為 (2.2)本實(shí)驗(yàn)的任務(wù)就是確定和n的值。因此就需要測定Nu，Re數(shù)中所包含的各個(gè)物理量。其中d為特征尺寸，在平板中是平板長度，為已知量，物性λ、v，按定性溫度查表確定。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h(單位：W/(m2?K))不能直接測出，必須通過測加熱量，壁溫tw及流體平均溫度tf，根據(jù)(2.3)式來計(jì)算： (2.3)其中：Q為電加熱功率，A為平板外表面積。2．實(shí)驗(yàn)方法和步驟(1)將皮托管與差壓傳感器連接好，開啟電源，進(jìn)入系統(tǒng)界面，啟動風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率使得風(fēng)量為某一數(shù)值；(2)調(diào)節(jié)加熱功率為某一值，作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)工況，待壁溫達(dá)到穩(wěn)定(壁溫?zé)犭娕嫉臏囟仍谖宸昼妰?nèi)保持讀數(shù)不變，即可認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài))后，開始記錄熱電偶溫度、電功率、空氣進(jìn)出口溫度；(3)在一定熱負(fù)荷下，通過調(diào)整風(fēng)量來改變Re數(shù)的大小，因此保持加熱功率不變，改變風(fēng)機(jī)頻率，測量空氣進(jìn)、出口溫度以及加熱管的壁面溫度，即為不同風(fēng)速下，同一負(fù)荷時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；(4)不同熱負(fù)荷條件下的實(shí)驗(yàn)，僅需改變加熱功率，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟即可；(5)實(shí)驗(yàn)完畢后，先切斷實(shí)驗(yàn)平板加熱電源，待平板冷卻后再關(guān)閉風(fēng)機(jī)。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理1．?dāng)?shù)據(jù)整理(1)空氣來流速度：空氣來流速度u用畢托管測量，根據(jù)伯努利方程，畢托管所測得的氣流動壓p與氣流速度u的關(guān)系如下：式中：ρ為空氣密度，由空氣來流溫度查表確定。所以，空氣來流速度為：[m/s](2)加熱功率：加熱功率Q可通過測量加熱的電壓降U和電流I來計(jì)算。Q=U?I(3)空氣來流溫度及平板內(nèi)外表面溫度的測量：=1\*GB3①空氣來流溫度用K型熱電偶測量，t∞；=2\*GB3②確定實(shí)驗(yàn)平板內(nèi)壁面溫度也用K型熱電偶測量，tw；=3\*GB3③空氣離開加熱平板的溫度用K型熱電偶測量，tk。由于對流和輻射的影響，實(shí)驗(yàn)中直接測量平板外壁面溫度很不準(zhǔn)確，因此我們直接測量內(nèi)壁面的溫度，通過內(nèi)壁面的溫度以及加熱電壓，加熱電流和銅板的傳熱面積、導(dǎo)熱系數(shù)，可以計(jì)算出銅板的外壁面溫度。由于銅板為上下兩個(gè)面，在計(jì)算時(shí)要注意。本實(shí)驗(yàn)中主要測量平板前后的空氣溫度以及銅板的內(nèi)壁面溫度。實(shí)驗(yàn)平板為一個(gè)有內(nèi)熱源的上下對稱的平板，而且內(nèi)壁溫度大于外壁溫度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，空氣流速可調(diào)整4-5個(gè)工況，加熱電流可根據(jù)平板的大小和厚度及風(fēng)速大小適當(dāng)調(diào)整，保證平板與空氣間有適當(dāng)?shù)臏夭睢?4)根據(jù)每次實(shí)驗(yàn)工況所測數(shù)據(jù)計(jì)算整理得出相應(yīng)的Nu、Re的值，連同其它組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上，以Nu為縱坐標(biāo)，Re為橫坐標(biāo)。將各個(gè)工況點(diǎn)標(biāo)示出。它們的規(guī)律可以近似的用一條直線表示：則Nu、Re之間的關(guān)系可近似表示成冪函數(shù)形式：Nu=C?Ren。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用最小二乘法或作圖方法得出上述關(guān)聯(lián)式中的C和n的值。(5)計(jì)算定性溫度tm對于空氣橫掠平板，選擇空氣被加熱前和加熱后的平均溫度作為定性溫度。(6)Re數(shù)計(jì)算中的特征速度確定對于空氣橫掠平板，特征速度等于來流速度，即為2．?dāng)?shù)據(jù)記錄加熱電壓（V）加熱電流（A）加熱功率（W）風(fēng)量（m3/h）進(jìn)風(fēng)溫度（℃）板內(nèi)溫度1（℃）板內(nèi)溫度2（℃）室內(nèi)溫度（℃）出風(fēng)溫度（℃）板內(nèi)溫度3（℃）板內(nèi)溫度4（℃）腔體溫度（℃）六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1．首先了解實(shí)驗(yàn)裝置的各個(gè)組成部分，并熟悉儀表的使用，以免損壞儀器；2．為確保管壁溫度不超出允許的范圍，啟動及工況改變時(shí)都必須注意操作順序。啟動電源之前，先將電源調(diào)節(jié)旋鈕轉(zhuǎn)至零