1、1 传热学 实 验 指 导 书工程热物理教研室 编华北电力大学（北京）二 00 六 年 九 月2前 言1实验总体目标通过本实验，加深学生对传热学基本原理的理解，掌握相关的测量方法，熟练使用相关的测量仪表，培养学生分析问题、解决问题的能力。 适用专业热能与动力工程、建筑环境与设备工程、核科学与核工程 先修课程高等数学、大学物理 实验课时分配实验项目 学时实验一 非稳态（准稳态）法测量材料导热性能实验2实验二 强迫对流单管外放热系数测定试验 2实验三 热管换热器实验 2 实验环境（对实验室、机房、服务器、打印机、投影机、网络设备等配置及数量要求）实验用器材及水电等齐全，布局合理，实验台满足 23
2、人一组，能够满足实验的要求。在醒目的地方有实验原理的说明，便于教师讲解及学生熟悉实验的基本原理和方法。 实验总体要求每一学期前两周下达实验教学任务，实验教师按照实验任务准备相应的实验设备，实验期间要求学生严格遵守实验室的各项规章制度。学生要提前预习实验内容，完成实验后按照规定格式写好实验报告，交给实验指导教师，实验指导教师根据实验课上的表现和实验报告给出成绩评定结果。 本实验的重点、难点及教学方法建议传热学实验的重点是非稳态（准稳态）法测量材料导热性能实验、强迫对流单管外放热系数测定试验、热管换热器实验，这三个实验都是综合性实验，涉及到传热学的导热基本理论，单相对流换热，热边界层理论，相变换热
3、理论，相似原理等方面的内容，实验仪器涉及到热电耦的使用及补偿方法，比托管的使用，电位差计的使用等等，需要学生对传热学的基本内容和基本概念有清楚的了解。难点是准稳态法测量材料的热性能实验时的测量时间不好把握，单管外放热系数实验中实验数据的整理中存在着一些技巧，另外如何调节热管的加热功率使之得到更好的热管性能曲线也存在一些技巧。教学方法：学生提前预习，做实验之前老师提问；学生仔细观察指导教师的演示；实验室对学生开放，一次没有做成功，或者想更好地掌握实验技巧的学生，可以跟指导教师预约时间另做。3目 录实验一、 非稳态（准稳态）法测量材料导热性能实验 3实验二 强迫对流单管外放热系数测定试验 7实验三
4、 热管换热器实验 134实验一 非稳态（准稳态）法测量材料导热性能实验一、实验目的1 了解准稳态法测量绝热材料导热系数、比热容的基本原理和构思。2 掌握热电耦的使用及其补偿方法以及热流的测试方法。3 掌握由实验数据计算出导热系数和比热的方法。4 分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。二、实验类型综合性试验三、实验仪器实验装置如图 1-1 所示，说明如下：图 1-1 实验装置图1）试件试件尺寸为 100mm100mm，共四块，尺寸完全相同，=1016mm。每块试件上下面要平齐，表面要平整。图 1-2 热电耦布置图52）加热器采用高电阻康铜箔平面加热器，康铜箔厚度仅为 20m，加上保护箔的
5、绝缘薄膜，总共只有 70m。其电阻值稳定，在 0100范围内几乎不变。加热器的面积和试件的端面积相同，也是 100mm100mm 正方形。两个加热器的电阻值应尽量相同，相差应在 0.1%以内。3）绝热层用导热系数比试件小的材料作绝热层，力求减少热量通过，使试件 1、4 与绝热层的接触面接近绝热。4）热电偶利用热电偶测量试件 2 两面的温差及试件 2、3 接触面中心处的温生速率，热电偶由0.1mm 的康铜丝制成。实验时，将四个试件齐迭放在一起，分别在试件 1 和 2 及试件 3 和 4 之间放入加热器1 和 2，试件和加热器要对齐。热电偶的放置如图 1-2，热电偶测温头要放在试件中心部位。放好绝
6、热层后，适当加以压力，以保持各试件之间接触良好。四、实验原理本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。设平板厚度为 2，初始温度为 t0，平板两面受恒定的热流密度 qc 均匀加热（见图 1-3） 。求任何瞬间沿平板厚度方向的温度分布 t(x， )。导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件如下： qc qc b 图 1-3 第二类边界条件无限大平板导热的物理模型2),(),(xtaxt时, 00tx=0 处， 处， cqxt方程的解为：（1-)exp()cos(2)1(63),( 0220 Faqtxt nnnc 1）6式中：时间 (s)； 平板的导热系数(W/m)； 平板的热扩
7、散率(m 2/s)； ann=1，2，3，；Fo ，傅立叶准则；t 0初始温度 ()； 沿 x 方向从端面向平2acq板加热的恒定热流密度(W/m 2)；随着时间 的延长， Fo 数变大，式（ 1-1）中级数和项愈小。当 F00.5 时，级数和项变得很小，可以忽略，式（1-1 ）变成：（1-2）201(,)()6cqaxtxt由此可见，当 F00.5 后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是常数，并且到处相同。这种状态称为准稳态。在准态时，平板中心面 x=0 处的温度为：（1-021(,)()6cqatt3）平板加热面 x= 处为：（1-4 ）)31(),(20aqttc此两面
8、的温差为：（1-5）(,),ctt如已知 qc 和 ，再测出 t，就可以求出导热系数：（1-6 ）tqc2实际上，无限大平板是无法实现的，实验总是用有限尺寸的试件。一般可认为，试件的横向尺寸为厚度的 6 倍以上时，两侧散热试件中心的温度影响可以忽略不计。试件两端面中心处的温度差就等于无限大平板两端面的温度差。根据势平衡原理，在准稳态时，有下列关系： dtCFqc式中：F试件的横截面(m 2)；C 试件的比热(J/kg)；试件的密度(kg/m 3)；准稳态时的温升速率( /s)；dt由上式可得比热： dtqcc实验时， 以试件中心处为准。dt五、实验内容和要求1用卡尺测量试件的尺寸，得到面积 F
9、 和厚度 。72按图 1-1 和图 1-2 放好试件、加热器和热电偶，接好电源，接通稳压器，并将稳压器预热 10 分钟（注：此时开关 K 是打开的） 。接好热点偶与电位差计及转换开关的导线。3校对电位差计的工作电流，然后，将测量转换开关拨至“1”测出试件在加热前的温度，此温度应等于室温。再将转换开关拨至“2” ，测出试件两面的温差，此时，应指示为零热电势，测量出示值差最大不得超过 0.004mv,即相应的初始温度差不得超过 0.1。4接通加热器开关，给加热器通以恒定电流（试验过程中，电流不容许变化。此值事先经实验确定） 。同时，启动秒表，每隔一分钟测读一个数值。奇数值时刻（1 分，3 分，5
10、分）测“2”端热点势的毫伏数，偶数值时刻（2 分，4 分，6 分） ，测“1”端热点势的毫伏数。这样，经过一段时间后（随所测材料而不同，一般为 1020 分钟） ，系统进入准稳状态， “2”端热点势的数值（即式（1-5 ）中的温差 t）几乎保持不变。并计下加热器的电源值。5第一次实验结束，将加热器开关 K 切断，取下试件及加热器，用电扇将加热器吹凉，待其和室温平衡后才能继续作下一次实验。但试件不能连续做实验，必须经过四小时以上放置，使其冷却至与室温平衡后，才能再作下一次实验。6实验全部结束后，必须切断电源，一切恢复原状。7实验数据记录室温 t0： 加热器电流 I： A 加热器电压 U： V试件
11、截面尺寸 F：0.00126 试件厚度 ：0.009 m试件材料密度 =1200 /m 3 热流密度 qc： w/时间分 0 1 2 3 4 5 6“1”热点温度 “2”时间分 7 8 9 10 11 12 13“1”热点温度 “2”求出：热流密度 qcW/准稳态时的温差 t（平均值）准稳态时的温升速率 /小时d8做好实验数据的进一步分析和整理工作，并对测量误差进行分析。六、注意事项1实验中要切记对热电偶冷端进行零点补偿，要对电位差计进行校准。2输入电加热器的电压不得超过220V，电加热器最高温度不得超过100。3 停止实验时，应先切断电热器。连续试验时要确保加热器和试样已冷却到室温并已平衡。
12、8七、思考题1 怎样判断加热过程已经达到了准稳态？2 实验中为什么要把四块试样叠放在一起？3 如果要测量导电体材料的导热系数和比热，是否可以采用准稳态法，如果可以如何改进和设计实验？4 实验中引起的测量误差由哪些，还可以采取哪些手段来进一步减少测量误差？9实验二 强迫对流单管外放热系数测定试验一、实验目的1测定空气横向流过单圆管表面时的放热系数。2根据对受迫运动放热过程的相似分析，将实验数据整理成准则方程式。3通过相似原理的实际应用，加深对相似原理的了解。4学习用热电偶测量温度，用电压电流测量功率及用比托管测流量的实验技术。5、计算机在测试技术方面的应用。二、实验类型综合性实验三、实验仪器图
13、2-1 为空气横向流过单圆管表面时的放热实验装置。AV图 2-1 单圆管表面横向强迫对流放热实验装置示意图1-离心式风机；2-自动风机风门；3-软连接；4- 毕托管；5-后测温点；6-后测静压点；7-紫铜管试件；8- 前测静压点；9- 前测温点；10-整流珊；11- 进风喇叭口；12-角铁支架；13-实验台；14-毕托管差压传感器； 15-加热开关；16-加热调节；17- 风门开关( 上开下关)；18-风机开关；19-加热电流表 20-加热电压表；21- 一十六位巡检仪；22-试验段阻力差压传感器实验装置主要由一简单的风洞和量热器组成。风洞是用有机玻璃制成的正方形流道尺寸为 ab(mm)。为了
14、避免涡流的影响，风道内表面持光滑。当风机启动后，室内空气经过吸入口 2 被吸入风洞内。吸入口做成双扭线形以保证进出口气流平稳并减少损失，并且使进口处气流速度分布均匀。在吸入口后连接入口段和工作段。在工作段中有被研究的圆管（同时也是量热器） 、加热前流体的测温热电偶、加热后流体的测温热电偶。在工作段之后有一支测量流速的比托管、插板阀、引风机。插板阀用以调节流量。为减少风机振动对10风洞内的速度场的影响，工作段之后的风道用亚麻布软管与风机相接。风洞内毕托管与差压变送器相连接后可用来测量流速。工作段前后的空气温度，即 tf1、t fa，用热电偶来测量。图 2-2 量热器简图1-电源线；2- 压紧螺母
15、；3- 保护盖；4- 固定板；5-绝热层；6-绝热层；7-铜管；8-绝缘层；9- 加热器图 2-2 为量热器简图。量热器用铜管做成，管内有电加热器，用交流电加热。电热器所消耗的功率即是圆管表面所放出的热量。圆管表面温度 tw 用焊在管壁上的四对热电偶测量。电路及测量系统如图 3-3 所示：图 2-3 电路及测量系统示意图1-调压器；2- 量热器；3- 加热器；4- 测气体温度热电偶；5-测气表面度热电偶；6-加热管剖面；7- 差压传感器；8.巡检仪；9-比托管；10-差压传感器四、实验原理根据牛顿公式物体表面对流放热量 Qc 可用下列计算：W （2-1 ）()cwftF式中：t w圆管表面平均
16、温度 ；t f实验段前后流体的平均温度 ；F圆管表面积 m2， ；d、l 分别为圆管的直径和长度； 放热系数；w/m 2F因此有11W/m2, （2-2 ）()cwfQtdl根据相似理论，流体横向流过单圆管表面时，一般可将准则方程式整理成下列形式：（2-3 ）0.250.38PrRefnffwNuC上式中定性温度为流体平均温度 tf，定型尺寸为管子直径、流速采用流体流过圆管时最窄处的流速。是考虑不均匀物性场而附加的修正项。0.25Prfw对于空气 Pr常数，故准则方程式为：（2-4 ）RenfNuC式中常数 C和 n 可由本实验确定。本实验是在空气被加热的情况下进行的。圆管内加热器所产生的热量
17、 Q 是以对流换热Qc 和辐射 QR 方式传出的。因此： RC圆管表面的辐射放热量 QR 可由下式计算：W （2-5 ）FTcfwb4410式中：为圆管表面黑度，对于铜管 =0.22；c b绝对黑体的辐射系数 cb=5.67 W/m2K4；T w、T f分别为圆管表面和流体的平均绝对温度，K。由以上分析可知，实验的中心问题是必须测量以下几个物理量：圆管放热量 Q；管壁温度 tw；流体温度 tf；管子直径 d；管子长度 l 和空气流速 u。在不同工况下测量以上数值，将每一工况下 Ref 值与 Nuf 值表示在对数坐标图上，如图 2-4 所示。 y x 图 2-4 确定参数之间关系的图解法12用
18、Y 表示 lgNuf，用 X 表示 lgRef，每一对 Ref 及 Nuf 的值可以在图上确定一点，将这些点连成一条直线，此直线的方程可以表示为： nA即： lgllguf efNCR式中： ； ，为直线和横坐标之间夹角 的正切。ta因此：实验曲线可用下面方程来表示：RenffNuC RefnNuCC 的值可以通过曲线上任一点处 Nuf 与 Ref 的数值计算出来。五、实验内容和要求1按图 2-1 接好线路，调整好测量仪表。2先关闭插板阀，再合上风机马达的电源，使风机在空载下起动，然后根据需要开启插板阀，以调节风量，待稳定后启用计算机数据采集系统。3合上电加热器电源，调节输出电压（不能超过 1
19、50 伏）在某一定工况下加热。4加热约 15 分钟后观察各热电偶的电势直到稳定为止， （壁面温度在 3 分钟内保持读数不变即认为到稳定）然后用计算机数据采集系统测量各热电偶的电势。5保持加热器功率不变，调节插板阀改变风量至另一数值重复步骤 3，直至试验结束。6平均放热系数的数值可用下式计算：W/m2 （2-6 ）ldtQfwR)(式中：Q电加热器所消耗的功率（ W）Q=IU；U加热器中的电压降， （V） ；I 加热器中的电流强度， （A） ；d 及 l圆管的直径及长度，(m)；Q R辐射放热量，按式（2-5 ）计算；t w管壁的平均温度（用每一对热电偶所对应温度的平均值）；t f流体的平均温度
20、。7雷诺准则： 中流速 w 为风洞工作段截面上的平均流速（即流体过圆管时vRe最窄截面处的流速） 。8w cp 为流体通过比托管时，比托管所在处流体的流速 m/s。该流速是通过差压变送器测量出其动压头然后用下式进行计算出的：m/s （2-7 ）2apcpw式中：p 为比托管所在处风洞截面上测点动压头，单位 Pa。139实验记录1）基本数据：实验设备号：第 台， 所用热电偶种类：测量仪表名称：管子直径：d = 0.032 m；管子长度： l =0.45 m；圆管散热面积：F = 0.0452 m 2= 0.1540.455=0.0555 m2 ； Fb = 0.1550.085=0.013 m2
21、； 比托管压力修正系数F=1.37；流量修正系数 17.2）实验数据记录表及实验数据整理表。六、注意事项1正确调整使用比托管；2必须待风机起动后再合上加热器电源而实验结束时应先停止加热再停风机；3实验完毕应经教师检查同意后方可离去。4整理数据时应注意，t f 应为加热前后流体温度的平均值，即 ，)(21fafftt，t fa 相差很小，一般 左右，因此 tf 的变化对空气的物性参数影响1f 8.041ffat不大，为整理数据方便起见选量热器前空气温度 tf，做为定性温度。5应将速度换算成为圆管所在最窄截面处的速度，根据连续性方程： bcpFw式中：w cp比托管所在截面之平均流速m/s；w 铜
22、圆管所在处最窄面处的流速 m/s；，F b分别为风洞、比托管所在截面及圆管所在最窄截面处的面积m 2。七、思考题1 整个系统是负压运行的，是否可以采用正压运行，有什么优缺点？2 为什么必须待风机起动后再合上加热器电源而实验结束时应先停止加热再停风机？3 如果不考虑辐射换热的影响，将会有什么样的结果？4 如果要测量外掠管束的换热系数，如何设计和改进实验？5 实验中引起测量误差的因素有哪些，怎样减少测量误差？14实验三 热管换热器实验一、实验目的1 了解热管换热器实验台的工作原理；2 熟悉热管换热器实验台的使用方法；3 掌握热管换热器换热量 Q 和传热系数 K 的测量和计算方法；二、实验类型综合性
23、试验三、实验仪器热管换热器实验台的结构如下图 3-1 所示。实验台由翅片管( 整体绕制)、热段风道、冷段风道、冷段和热段风机、电加热器、工况调节旋钮、热电偶、比托管测动压、支架等组成。VA图 3-1 设备简图热段管中的电加热器使空气加热，热风经热段风道时，通过翅片管进行换热和传递，从而使冷段风道的空气温度升高。利用风道中的热电偶对冷、热段的进出口温度进行测量，利用比托管对冷、热段的出口风速进行测量，由万能信号输入巡检仪显示仪显示其数值，从而可以计算换热器的换热量 Q 和传热系数 K。试验台参数如下：1. 冷段出口内径：D=80mm；冷段翅片管处断面尺寸 160mm 170mm；2. 热段出口内
24、径：D=80mm；热段翅片管处断面尺寸 160mm 170mm；3. 冷段传热表面参数：翅片管长 160mm；钢管直径 21mm；翅片直径 40mm；翅片个数 57 个；翅片管数量 8 根；传热面积：0.42m 2。4. 热段传热表面参数：翅片管长 160mm；钢管直径 21mm；翅片直径 40mm；翅片个数 59 个；翅片管数量 8 根；传热面积：0.43m 2。5. 加热功率：1500W；156. 比托管修正系数热端：动压修正系数 =0.845；流量修正系数：=0.925冷端：动压修正系数 =0.943；流量修正系数：=0.980注：如对测数据要求较高，最好比托管修正系数应每年用风速仪进行
25、校正。四、实验内容和要求1. 连接冷段和冷段热电偶，压差传感器与比托管的连接胶管；2. 接通电源；3. 将功率调节开关旋至最小位置(逆时针) ，打开电加热器和风机开关开始工作；4. 逐渐将功率调节开关加大；视温度要求设定工况；5. 待工况稳定后(约 20 分钟后温差基本保持不变时 )，开始采样测试；6. 改变工况，重复上述步骤，测量另一种工况参数（不高于 50） ；7. 实验结束后，先切断加热电源，5 分钟后切断所有电源。8. 将实验测得的数据填入下表中：风 速m/s 冷、热段进出口温度工况 序号 冷段 Lv热段 r1Lt2t1rt2rt备 注123平均123平均附 将实验所用的仪器名称、规格
26、、编号及实验日期、室温等填入上表中的备注栏。9. 计算换热量、传热系数及热平衡误差：1）工况冷段换热量 W12LPLLtCFvQ热段换热量 Wrrrr热平衡误差 %0)(r传热系数 tfKL式中 , 冷、热段出口平均风速 m/S； , 冷、热段出口断面积 m2； ,Lvr LFr 1Lt, , 冷、热段进出口风温 ； , 冷、热段出口空气密度 Kg/m3； 2t1r r f16冷段传热面积 m2； ；121()()rLrLtt2）工况方法同上。10. 将上面数据整理所求的得两种工况的实验结果填入下表，并进行比较分析。工 况冷段换热量 (W)LQ热段换热量 ()rQ热平衡误差 (%)传热系数 2/W(mK)五、注意事项1实验结束后，要首先切断加热电源，5分钟后再切断其它电源。2输入电加热器的电压不得超过220V，电加热器最高功率不得超过1500W。六、思考题1 实验中，如果翅片管安放不够垂直会对热管传热产生怎样的影响？2 从试验结果可以看出热管式换热器的换热系数要比相同结构金属材料的导热系数高很多倍，但换热温差不大，试解释其原因。3 为什么热管如果漏气就不能正常工作了？实验中如果热管已经漏气会产生什么样的结果，会对试验结果产生怎样的影响？
