1、传热学实验指导书电力学院 李华 编华南理工大学教材供应中心2010 年 4 月目 录实验一 热线法测量绝热材料导热系数 1实验二 空气沿横管表面 的自然对流换热 8实验三 表面发射率（黑度）测量 111实验一 热线法测量绝热材料导热系数热线法是测量材料导热系数的一种非稳态方法。它的基本原理是在均质均温的试样中放置一根电阻丝，即所谓的“热线法” ，一旦热线在恒定电功率的作用下放热，则热线和热线附近试样的温度将会升高，根据其温度随时间的变化关系，就可以确定试样的导热系数。这种方法不仅适用于干燥材料，而且还适用于含湿材料。该方法是稳态法测定材料导热系数方法的一个补充。本实验采用了非金属固体材料导热系
2、数的测量方法热线法 （GB10297 88）中规定的测量方法测量绝热材料导热系数。每套实验装置可测量 4 种不同绝热材料的导热系数，每个学生都可以在一节实验课内完成 4 种不同绝热材料的导热系数测量，以供其分析材质、密度及孔隙率等因素对绝热材料导热系数的影响。一、实验目的1 掌握非稳态法测量绝热材料导热系数的一种方法热线法。2 了解绝热材料的材质、密度以及孔隙率等因素对其导热系数的影响。二、实验装置1 实验装置由继电器输出模块 ADAN-4060（2 个） 、数据采集模块 ADAM-4017（1 个） 、数据采集模块 ADAM-4018（1 个） 、PCL-745B 接口卡（1 个） 、计算机
3、集成软件、标准电源模块（1 个） 、加热电源（1 个） 、八种不同的绝热材料实验盒（每个盒子内含热电偶 1 个和电热丝一根）及若干网络线和导线组成。2 实验装置接线、测定电路示意图及其功能a. 实验装置测量电路示意图：图 1-1 测试系统示意图（B）GND（R）+Vs(G)DATA-(G)DATA+（B）GND（R）+Vs(G)DATA-(G)DATA+（B）GND（R）+Vs(G)DATA-(G)DATA+（B）GND（R）+Vs(G)DATA-(G)DATA+标准电源（24V）计算机系统（ ）（ ）+-+-网络线4060406040174018RL NORL COMRL NORL COMV
4、in+Vin-Vin+Vin-+-接加热电源+-接 ADAM-4017+-接 ADAM-4018绝热材料实验盒加热电源+-2b. 实验装置的接线：本实验共应用了四个模块来实现实验过程的自动控制和显示实验的动态过程。每个模块的地址是不同的，两个 ADAN-4060 模块的地址分别为 01（H）和 02（H） ，ADAM-4017 模块的地址是 03（H） ，ADAM-4018 模块的地址是 04（H ） ，各模块的地址在模块上已经标明。绝热材料实验盒上已经标明了该绝热材料的性质、热电偶的型号、电热丝的电阻及电热丝的长度。观察模块上的英文字母符号，可以看到在每个模块上都有（B）GND 、 （R）+
5、Vs、 （G）DATA-和(Y)GATA+这样的标志。其中（ B）GND 和（R）+Vs 所对应的接线端口是模块的工作电源输入端， （B）GND 端是接地端（负极） ， （R）+Vs 端是正极；（G）DATA- 和(Y)GATA+ 是模块的网络接线端，也即是数据输入到计算机的接线端，（G）DATA- 接网络线的负极， (Y)GATA+ 接网络线的正极，网络线的白线是负极，而棕红色的线是正极。模块的工作电源和网络是以并联的方式来连接的。ADAN-4060 模块的继电器输出端口共有四组，即一个模块可以输出四个继电器，其分别为 RL1 NO 与 RL1 COM、RL2 NO 与 RL1 COM、RL
6、3 NO 与 RL3NC 及 RL3 COM、RL4 NO 与 RL4 NC 及 RL4 COM 一共四个继电器输出，其分别为第1、2、3、4 个继电器。在连接装置时只需要把 RL NO 与 RL COM 作为输入和输出端就可以了，并且是以串联的方式连接到电路中去的，其中 RL NO 端是正极电流流入端，RL COM 端是负极电流流出端。例如，现在要输出继电器 1，那么只需要把继电器 1 串联到电路中去，RL1 NO 端接电流的输入端， RL1 COM 接电流的输出端。ADAM-4018 模块的信号输入端对应处可以看到有 Vin0+与 Vin0-、Vin1+与 Vin1-、Vin6+与 AGN
7、D、Vin7+ 与 AGND 一共 8 个数据通道，其分别为第0、1、27 通道，其中带有“+”标志的接线端是正极 接热电偶的正极，另一个接线端是负极接热电偶的负极。ADAM-4017 模块的信号输入端对应处可以看到有 Vin0+与 Vin0-、Vin1+与 Vin1-、Vin6+与 AGND、Vin7+ 与 AGND 一共 8 个数据通道，其中带有“+” 标志的接线端是正极 ，带有“-”标志的接线端是负极，该模块用来测量电热丝量端的电压。3 实验装置实现的功能a. 实现了非稳态法测量绝热材料导热系数的测量方法。b. 能反映实验的动态过程。3c. 自动控制实验过程，仅仅在电脑上进行操作就可以完
8、成测量 8 种绝热材料导热系数的测量任务，并且具有电热丝高温保护当电热丝的温度达到或超过 120时，测试系统会自动的关闭继电器的输出，即自动切断电源，以保证实验的准确性，同时又防止绝热材料在高温下烧焦而影响测量结果。三、实验原理本实验适用于导热系数小于 2W/(m.k)的各向同性均质绝热材料导热系数的测定。实验系统的物理模型由具有均匀内热源的无限长圆柱体加热元件(热线)和能够吸收热量的无限长、半无限厚圆筒形固体材料(试样)组成；在实验的温度变化范围内，热线和试样的热物性参数为常数。测量开始前，热线和试样具有相同的初始温度 t0；从 0 时刻开始，热线以恒定的热源强度 加热试样，测量并记录热线温
9、度随时间的变化，并由此来估计试样的热物性参数。若试样的温度只沿半径方向变化，引入过余温度 t-t 0 则可写出试样圆柱坐标下的能量守恒方程：ra1,1r.CB21r0,1.I,0及热线的导热方程及定解条件：rc10,1r.CB21,10r0,r.I,0试件的换热量为： Rdvc,根据具有恒定功率内热源的均质材料其中心温度变化与加热时间之间的函数关系，可以得到材料的导热系数，这也就是利用非稳态法求导热系数。4其计算公式为： 或 12/ln4LRI RtLU)(/ln412式中： 导热系数， W/(m.K)；热线加热电流，A；I热线 A、B 间的端电压，V；U电压引出端 A、B 间热线的长度，m;
10、L测定温度下热线 A、B 间的电阻，； R和 从加热时起至测量时刻的时间，s； 12和 和 时刻热线的温升，。12测量的原理图如下：图 1-2 测量原理示意图实验过程中用来测量热线温度的测量探头是由热线及焊在其上面的热电偶组成（见图 3 所示） ，测量探头的型式有如下两种（见图 3（a）所示和图 3(b)所示） 。（a） （b）图 1-3 测量探头及其示意图建议采用图 3（a ）中的测量探头型式，此时在焊接点附近，热电偶丝与热线之间的夹角 不大于 45，走向与热线保持平行。电压表温度测量仪试样热电偶测量端电源A BAU电流表试样 试样热线 热线热电偶热电偶 5在实验过程中对试样的选取关系到实验
11、的准确性，通常所选的试样为两块尺寸不小于 40mmx80mmx114mm 的互相叠合的长方体，或者为两块横端面直径不小于80mm，长度不小于 114mm 的半圆柱叠合而成的圆柱体。对粉末状和颗粒状材料导热系数的测定，使用两个内部尺寸不小于 40mmx80mmx114mm 的盒子。其下面是一个带底的盒子，将待测材料装填到盒子中，并与其上边沿平齐，然后将测量探头放在试样上。上层的盒子与下层盒子的内部尺寸相同但无底，安放在下层盒子上，也将待测材料装填至与其上边沿平齐。用与盒子相同材料的盖板盖上盒子，但不允许盖板对试样施加压力。四、实验步骤 1按实验装置示意图连接测试系统。通常一次实验可以完成 8 种
12、绝热材料导热系数的测量任务，这样以来，在连接测试系统时，可以把 8 种试样盒编号，例如编号为0、1、2、3、4、5、6、7，那么在接线时每种试样盒的连接是独立的，也就是说 8 种试样盒是以并联关系接入到测量电路中去，比如，编号为 0 的试样盒其热线两端的电压信号输入到 ADAM-4017 的第 0 通道，温度信号输入到 ADAM-4018 的第 0 通道，而把地址为 01（H）的 ADAN-4060 模块的第 1 个继电器串联到电路中去；编号为 1的试样盒其热线两端的电压信号输入到 ADAM-4017 的第 1 通道，温度信号输入到ADAM-4018 的第 1 通道，而把地址为 01（H）的
13、ADAN-4060 模块的第 2 个继电器串联到电路中去。依次类推把其他的试样盒接入到测试系统中去，其接线的总体思想就是，每一个试样盒对应于 ADAN-4060 模块的一个继电器、ADAM-4017 模块一个通道以及 ADAM-4018 模块的一个通道。完成实验装置的连接之后，记住哪个继电器控制哪个试样盒的电流。2整个实验的操作在测试系统连接好之后，只需在电脑上进行操作就可以完成测量工作，其操作面板如下图所示：1 2 36图 1-4 测试软件界面从面板上可以看到箭头 1、2、3 所指的三个控制按钮分别指循环一次、循环运行、停止运行三个功能键。1-1、1-2、1-3 和 1-4 开关分别表示地址
14、为 01（H ）的 ADAN-4060 模块的第 1、2、3、4 个继电器输出开关；同理，2-1、2-2、2-3 和 2-4 则分别表示地址为 02（H）的 ADAN-4060 模块的第 1、2、 3、4 个继电器输出开关。每试样盒都对应于一个继电器、ADAM-4017 模块的一个通道、ADAM-4017 模块的一个通道、一定的热线长度和一定的热线电阻。在运行程序之前（在实验前） ，首先要清楚要测量的绝热材料与哪个继电器、ADAM-4017 模块哪个通道和 ADAM-4018 模块的哪个通道构成一个测试回路，然后在“4017 通道（0-7） ”和 “4018 通道（0-7） ”所对应的对话框中
15、输入与该试样盒所对应的 ADAM-4017 模块和 ADAM-4017 模块的通道，在“热线电阻”和“热线长度” 所对应的对话框中输入要测量的试样盒中热线的电阻和热线的长度（每个试样盒上已经标定） 。在“加热时间” 所对应的对话框中 输入热线要加热时间，通常为 180 秒（只需在对话框中输入 180 即可） 。在实验前，要保证 8 个继电器的开关是关闭的，如果开关的上的灯呈红色，则表明开关是开着的，如果呈黑色，则表明开关是关闭的，用鼠标点击开关就可以改变继电器的开和关。3在完成上叙的实验准备工作之后，接通模块的工作电源和加热电源，加热电源建议在 1.2V 左右，点击“循环运行” 按钮，看热线的
16、温度是否与绝热材料和环境达到热7平衡（如果温度随时间变化不大于 0.1/5 分钟） ，也就是温度变化曲线是一条直线。然后用鼠标点击“ 停止” 键，停止程序的运行。4以上的准备工作已经做完之后，确定要测量哪种试样的导热系数，然后点击所对应的继电器的开关按钮，使其指示灯变为红色，其它的 7 个继电器必须是关闭的（注意：继电器开关要在程序运行中才能使继电器动作） 。点击“循环运行” 按钮，运行测试程序。继电器会在已经设定的加热时间到了之后自动关闭，如果热线的温度,继电器也会自动关闭，热线温度大于 100时，温度报警灯会亮，以提示实Ct021验者。5大概实验时间到了 300 秒时，按“停止” 键停止运
17、行程序，然后再使另外的一个继电器打开，其它关闭，以测量另外的试样的导热系数。测试前重复以上的步骤。6测量了所有的 8 种试样的导热系数之后，推出测试系统，按照“文件路径” 对话框所对应的文件路径，可以得到实验的原始数据以便在实验之后进行分析。五、实验记录:热线电阻: 欧 热线长度: 米测试材料加热时间 热线电压 热线温度 热线电压 热线温度 热线电压 热线温度 热线电压 热线温度8六.实验数据计算:其计算公式为： RtLU)(/ln412七.注意事项1实验前必须保证试样盒于环境处于热平衡状态，否则会影响实验数据的准确性。2使用稳定的直流电源加热热线。在整个实验过程中，热线两端的电压必须保持不变
18、，或通过热线的电流保持不变。3电压的测量精度优于 0.5%，电流的测量精度优于 0.5%。电阻已经标定，如果有必要的话，可以通过测量热线两端的电压和电流来求热线电阻。使用分辨率不低于1mm 的器具测量热线长度。使用分辨率不低于 0.1的装置记录热线的温度。4测量过程中，热线的总温升宜控制在 15左右，最高不宜超过 100。如果热线的总温升超过 100，则必须考虑热线电阻的变化对测量的影响。测定含湿材料时，热线的总温升不得大于 15。5作为热线的电阻丝的直径不得不大于 0.35mm，在测量过程中热线单位长度的电阻随温度的变化不得不大于 5x10-3/m。并且热电丝的直径不得大于热线的直径。6试样
19、互相叠合的平面应是平整的，以保证热线与试样及试样的两平面贴合良好。7对于致密、坚硬的试样，需在其叠合面上铣出沟槽，用来安放测量探头。沟槽的宽度和深度必须与测量探头的热线和热电丝相适应。测量探头嵌粘在沟槽内，以保证良好的热接触。用从被测试试样上取下的细粉末作为粘结剂原料，用少量的水调和9成粘结剂。8试样和所在的环境温度必须保持恒定，并且在实验前试样、热线和热电偶的组合体以及环境三者要处于热平衡状态。10实验二 空气沿横管表面的自然对流换热一、实验目的1.根据相似理论组织、设计空气横掠单管自然对流实验系统，掌握实验原理；2.在给定系统硬件条件下，测定空气横掠单管自然对流换热的表面换热系数；3.掌握
20、整理实验数据成准则关系式 Num=c(Gr.Pr)n 的方法。二、实验要求1.给定系统硬件条件下，提出自行设计的实验方案、系统设计原理及绘制连接线路；2.给出测量空气横掠单管自然对流实验表面换热系数 h 的实验步骤及方法；3.根据相似原理整理实验数据并进行误差分析。三、统硬件概述一组长度直径不同的电镀紫铜管：D60mmL1800mm；D40mmL1600mm；D30mmL1200mm；D20mmL1000mm；电热丝： D0.25mm；自耦变压器： TDCG-0.5/0.5 2A，0-250V；电流表： D9-A 0.5A，1A，2A；电压表： D26-V 125V， 250V， 500V；热
21、电偶：镍铬-铜镍（鏮铜）四、典型实验举例1. 实验原理：假定横管表面具有均匀的温度 Tw，横管周围的空气温度为 Tf 并保持不变，则在稳定的状态下，对铜管进行电加热，热量应是以对流和辐射两种方式来散发的，所以对流换热量与辐射换热量之和，即Q=Qr+Qc =IV W (1)横管表面与周围空气的换热量可按牛顿冷却公式计算：Qc= F（t wt f） W (2)w/ (3) )(fW)10(440fwfTtCrQ换热量W；11Qr辐射换热量W；Qc对流换热量W；I加热电流A；V加热电压V；自由运动放热系数w/ ；F圆管表面积,F=d；其中 d 与 L 分别为圆管的外径和长度；tw圆管壁面平均温度 ；
22、tf室内空气温度；（4） )10()()(1440fwffw TtCIVtF试管表面黑度C0黑体的辐射热系数Tw管壁平均温度；T w =273.5+ tw ，KTf室内空气温度；T f =273.5+ tf ，K对于不同的温差（T w-Tf）及不同的横管直径，h 值亦各不相同。根据这些数值就能整理成幂函数形式的准则关系式 Nu=c(GrPr)n。如果 Tm 作为定性温度，用横管外径 D 作为定性尺寸（2-2）nGrcNuP2. 整理实验数据的方法为了确定上述关系式的具体形式，根据所测数据和计算结果求得准则数：Nu= d Gr=g d3 2t定性温度为流体与壁面的平均温度 ；d 为定性尺寸，即圆
23、管直径； )t(1fwm为体积弹性系数， =1/(273.5+ )，量纲为 1/K； 为 与 之差。twtf幂函数在双对数坐标中为一条直线，对（2.2）两边取对数得： PrlglgGncNu图示如下：图 2-1 整理实验数据图解12其中系数 Lgc 即直线纵坐标轴上的截距，指数 n 则由图上直线的斜率确定，即：12PrlgrlGNun3. 实验装置及示意图图 2-2 自然对流换热实验装置系统图采用一组直径不同的横管，管内装有绕在绝缘瓷管上的电热丝，用自耦变压器来调节加于电热丝两端的电压，从而改变电热器的功率（即改变横管的表面温度） 。电热器的功率用电流表和电压表来测量。横管的外表装有 8 对热
24、电偶以测量横管外表面的温度。4. 实验步骤（1（ 熟悉各线路连接。开始测量某一点的温度并做记录，过五分钟后再重测该点的温度。如果前后两次温度值的变化不超过0.5 时，可以认为设备已达到稳定状态，此时可正式记录各量（I、V、Tw、Tf 、D、L） 。隔三分钟记录一次，取二次读数的平均值。（2（ 改变自耦变压器的输入电压以增加（或减少）电热丝中通过的电流（改变电压每次约 58 伏） ，待 15 分钟后重复上述步骤。13实验数据记录:60*1800mm 40*1600mm 30*1200mm 20*1000mm空气温度: 空气温度: 空气温度: 空气温度:电压 V 电压 V 电压 V 电压 V管径长
25、度横管温度 电流 A 电流 A 电流 A 电流 A1234567 8整理实验数据并进行误差分析1、已知数据：D60mmL1800mm；D40mmL1600mm；D30mmL1200mm；D20mmL1000mm；实验时应实际测量！C0=5.669wm 2k4黑度 1=0.11 2= 3= 4=0.153、整理数据：根据所测温度。求出平均值 t；计算加热器的热量 Q=IV（W）A、求对流放热系数 )10()()(1440fwffw TtCItFB、查出物性参数定性温度取空气边界层平均温度 tm=12(t ft w)在教材的附录中查得空气的导热系数 、热膨胀系数 、运动粘度 、导热系数 和普朗特系
26、数 Pr。C、用下述公式计算对流换热系数 =0.53(PrGr)34求相对误差()。本指导书给出的“标准公式”为仅供参考，建议根据壁面形状、位置及边界条件，查阅相关教材确定。14D、以班组为单位整理准则方程把求得的有关数据代入准则中可得准则式，把对应的数据标在对数坐标上，几组数据可标得一条直线，求出 Nu=c(GrPr)n。六、实验报告要求：1、实验目的、原理、步骤、数据整理；2、画出直线，写出准则方程式；3、进行误差分析。思考题：1、分析本实验设备所采用的理论模型，边界条件。2、根据实验管的结构、传热方式，分析人工数据采集数据时所需要的条件。3、了解并叙述计算机数据采集的测量方法。15中温辐
27、射时物体黑度的测试一、实验目的用比较法，定性地测量中温辐射时物体黑度 。二、原理概述由 n 个物体组成的辐射换热系统中，利用净辐射法，可以求物体 I 的纯换热量Qnet.iibinkFkikefiieiabsinet FEdEQk .1,. )(1)式中：Qnet.ii 面的净辐射换热量。Qabs.ii 面从其他表面的吸热量。Qe.i i 面本身的辐射热量。 i i 面的黑度。 i(dk)k 面对 i 面的角系数。Eeff.kk 面有效的辐射力。Eb.ii 面的辐射力。 i 面的吸收率。iFii 面的面积。根据本实验的设备情况，可以认为：1、传导圆筒 2 为黑体。2、热源，传导圆筒 2，待测物
28、体（受体）3，它们表面上的温度均匀（图 1） 。3图一辐射换热简图1热源 2传导圆筒 3待测物体因此，公式（1）可写成：Qnet.3= 3(Eb.1 F1 i.3+ Eb.2 F2 2.3+ 3Eb.3 F3)因为 F1= F3； 3= 3； 3.2= 1.2 又根据角系数的互换性 F2 2.3= F3 3.2 ，则：16q3=Qnet.3/F3= 3(Eb.1 i.3+ Eb.2 1.2) 3Eb.3= 3(Eb.1 i.3+ Eb.2 1.2 Eb.3) （2）由于受体 3 与环境主要以自然对流方程换热，因此：q3= (t3t f) （3）d式中： 换热系数t3待测物体（受体）温度tf环境
29、温度由（2） 、 （3）式得：（4）32.13.1)(bbbfdEEEt当热源 1 和黑体圆筒 2 的表面温度一致时，E b1=Eb2 ，并考虑到，体系1，2，3，为封闭系统，则： i.3+ 1.2=1由此， （4）式可写成：（5）)T(ttE)t(t 4341f3b31f3 式中 b 称为斯蒂芬玻尔茨曼常数，其值为 5.710-8w/m2k4。对不同待测物体（受体）a,b 的黑度 为：；4341af3a(T)a)4341bfb b设 , 则：a（6）434143bfaTaabbb T当 b 为黑体时， b1， （6）式可写成：（7）43413bfaa aabb三、实验装置实验装置简图如图 2
30、 所示：17图 2、实验装置简图1、显示仪表与校正电位差计（自备）转换开关 2、测温转换琴键开关 3、数显温度计 4、接线柱 5、导轨 6、热源 7、传导体 8、受体 9、导轨支架 10、热源及中间体电压表 11、接线柱 12、调压旋钮 13、测温接线柱（红为+）14、电源开关热源腔体有一个测温电偶，传导腔体有二个热电偶，受体有一个热电偶，它们都可过琴键转换开关来切换。四、实验方法和步骤本实验仪器用比较法定性地测定物体的黑度，具体方法是通过对三组加热器电压的调整（热源一组，传导体二组） ，使热源和传导体的测量点恒定在同一温度上，然后分别将“待测” （受体为待测物体，具有原来的表面状态）和“黑体
31、” （受体仍为待测物体，但表面薰黑）两种状态的受体在恒温条件下，测出受到辐射后的温度，就可按公式计算出待测物体的黑度。具体步骤如下：1、热源腔体和受体腔体（使用具有原来表面状态的物体作为受体）靠紧传导体。2、结通电源，调整热源、传导左、传导右的调温旋钮，使热源温度在 50至150范围内某一温度，受热约 40 分钟左右，通过测温转换开关及测温仪表测试热源、传导左、传导右的温度，并根据测得的温度微调相应的电压旋钮，使三点温度尽量一致。3、也可以用电位差计（用户自备）测量温度。用导线将仪器上的测温接线柱 13与电位差计上的“未知”接线柱“+” “-”极连接好。按电位差计使用方法进行调零、校准并选好量
32、程（1） 。4、系统进入恒温后（各测温点基本接近，且在五分钟内各点温度波动小于 3） ，开始测试受体温度，当受体温度五分钟内的变化小于 3时，记下一组数据。 “待测”受体实验结束。185、取下受体，将受体冷却后，用松脂（带有松脂的松木）或蜡烛将受体薰黑，然后重复以上实验，测得第二组数据。将两组数据代入公式即可得出待测物体的黑度 受 。五、注意事项1、热源及传导的温度不可超过 160。2、每次做原始状态实验时，建议用汽油或酒精将待测物体表面擦净，否则，试验结果将有较大出入。六、试验所用计算公式根据（6）式本实验所用计算公式为：（8）受源源受 44000(TT式中： 0相对黑体的黑度，该值可假设为 1。 受 待测物体（受体）的黑度。受 受体与环境的温差。0黑体与环境的温差。T 源 受体为相对黑体时热源的绝对温度。受体为被测物体时的热源绝对温度。源T0相对黑体的绝对温度。T 受 待测物体（受体）的绝对温度。七、实验数据记录和处理A0 实验数据传导 序号N0热源 1 2受体（紫铜光面） 备注123平均 传导 序号N0热源 1 2受体（紫铜薰黑）123平均 B0 实验结果19
