1、课程编号：02300620课程名称；传热学Heat Transfer Experiment Instructor传 热 学 实 验 指 导 书(Belong to Pyrology Staff Room)Hefei University of Technology2006.1实验一 粉末或散装绝热材料导热系数测定实验一、实验目的1、巩固课堂所学的稳态导热的基本理论；2、学习圆球法测定粉末或散装材料导热系数的实验方法；3、测定试验材料(膨胀珍珠岩或空心微珠的粉末 )在试验温度下的导热系数；4、熟悉热电偶测温、直流电位差计测热电势的原理和方法。二、实验原理实验时将粉末或散装试验材料均匀地填满在圆球
2、导热仪的大球和小球之间。小球内芯装有电加热器，电加热器放出的热量传给小球，然后通过试验材料传向大球，再由大球传给空气。实验中可保证大、小球壁的温度均匀一致，因此在经过一段时间加热后，自小球向大球的传热可视为球坐标系（三个坐标方向为：半径 r 方向，球的经度方向及球的纬度方向）中的沿半径方向的一维稳态导热。导热量可由傅立叶定律算出：(11)drtdrtAQ24移项后为 24rt从小球到大球积分（小球半径为 r1，直径为 d1，壁温为 tw1；大球半径为 r2，直径为 d2，壁温为 tw2）有 21)(dtwQ（12）式中：d 1、d 2 单位为 mtw1、tw 2 单位为Q 的单位为 w 的单位
3、为 w/m.由上式得 （1)(212twdQ3）实验中测出电加热器的功率或测出电加热器的电压 V（伏特）和电流1（安培）就可得到传热量 Q；大、小球的壁面温度 tw1、tw 2可由埋在大、小球壁面上的各三对铜-康铜热电偶测出；大球直径 d2=16010-3m，小球直径 d1=8010-3m。测出这些数据后就可根据（13）式算出导热系数值。把 d1、d 2数值代入（13）式整理后可得 的简单算式：（14）2195.0twQ三、实验装置图 1 实验装置图实验装置由圆球导热仪、试验材料、电加热器、热电偶及冰瓶、多点切换开关、电位差计、功率表或电压表与电流表、交流稳压电源、自偶变压器、整流器等组成。圆
4、球导热仪由大、小两个空心的球壁组成，小球同心地装在大球内，试验材料填满在大小球壁之间。大球内壁和小球外壁上埋设的三对热电偶的冷端接冰瓶，热端和多点切换开关相连接，以便通过电位差计测出六个热电势（大球壁三个、小球壁三个） ，然后查热电偶分度表得到大、小球壁面的平均温度。小球壁内的电加热器由交流稳压电源、自偶变压器、整流器供电，功率由电压表与电流表测出或由功率直接读出。电加热器的输入功率大小可由自偶变压器调节，以改变大、小球壁的温度。四、实验步骤1、熟悉实验装置图，并了解各部分的作用，然后接上测量仪表和全部线路，经指导教师检查后，接通电源，并调整电加热器的输入功率为指定值（该值由指导教师临时告知）
5、 。2、加热若干时间后，当内、外壁温度不再改变时（可由热电偶的热电势不变示出）导热仪中导热已进入稳态，可以正式测量与记录数据。3、顺序掀按琴键式切换开关，通过电位差计分别读出六个热电势（小球为 1、2、3，大球为 4、5、6） ，在实验报告上记录下这六个热电势值，并记录实验中功率表读数或电流与电压表读数。4、切断电源，结束实验。实验二 空气横掠单管时平均对流换热系数及准则方程式测定实验一、实验目的1、学习测定空气槽掠单管时平均换热系数的方法；2、测定空气槽掠单管时的准则方程式；3、熟悉空气流速及管壁温度的测量方法。二、实验原理1、空气槽掠单管的平均对流换热系数 的测定根据牛顿冷却公式: )(f
6、wtAQ(4-1)(ft式中 单管沿周平均对流换热系数 w/ m2。Q单管与空气间的对流换热量，它等于装在管子上的电加热器的功率，单位为 WA单管的外表面积，m 2； ADL，D 为管子外径（单位为m，可选不同 D 的管子实验） ，L 为加热部分的管长，L=0.1m,管外壁温度，wt,空气温度，ft实验中只要测出电加热器功率及管外壁温度 及空气温度 即可按wtft（41）式算出空气槽掠单管时的平均对流换热系数 。2、空气横掠单管时准则方程式测定根据传热学教科书，强迫对流换热准则方程的一般形式为(4-2)Pr)(Re,1fNu对本实验来讲，流体为空气，实验中空气温度变化不大，因此（42）中的 P
7、r 可视为一个常数，这样（42）式变为(4-3)(Re)2fNu经验表明（43）式可以写成指数形式，即(4-4)nCe实验中只要测出常数 C 及指数 n，就得到了空气槽掠单管的准则方程具体形式。C、n 的测定方法是：对（44）式两边取对数，得(4-5)RelnllnNu（45）式在 ln Nu-lnRe 的坐标图上是一条直线。该直线的斜率即为 n 值，截距即为 lnC 值，从而得以 C、n 值。具体做法是：实验中改变单管外径 D 值或改变空气流速 u 值，每改变一次得到一个雷诺数 ，同时得到一个 值（为 常 数空 气 运 动 黏 度 vvuRe按前述方法测定） ，可算出一个 Nu 值 ，空气导
8、热系数 值实Nu验中为常数） 。这样每改变一次 D 值或 v 值，就得到一组（Re、Nu） ，把它描在 lnNulnRe 图上就得到一个点，改变若干次就在图上得到若干点，连接这些点得到一条直线，然后求出这条直线的斜率和截距就得到 n、C值。C、n 值的具体计算可有多种方法，本实验要求用最小二乘方法确定。三、实验装置图 1 空气横掠单管对流换热实验装置实验时，在风机的抽吸下，室内空气经进风口（可调节进风口面积以改变空气流速） ，风机、风箱、有机玻璃风道流向室内，单管试件就安装在有机玻璃风道内，这样就造成了空气槽掠单管的流动。试件为一薄壁不锈钢圆管。试件上有电加热器对试件低电压大电流（直流）加热，
9、此热量被横掠试件的空气带走。加热段 ab 长度为L=0.1m，试件外径 D 对每组实验来讲是固定不变的，但空气流速可以通过进风口进风截面大小来调节。试件的低压大电流由奎直流电源供缎带。加热功率在不同风速下是相同的。为确定试件壁温 tw，在试件中埋有铜康铜热电偶的测量端（热端） ，热电偶的冷端就置于空气流中。由空气流的温度（就等于室温）可从热电偶分度表中查得 值，而由电位差计可测得热电势 值，)0,(ftE ),(fwtE值按下式算出：)0,(wtE )0,(),()0,(ffwttEt最后根据 值查热电偶分度表得到 值。 （因为试件很薄，仅)0,(wtEwt0.20.3mm，且内壁绝热，故查出
10、的温度值就是单管外壁温度 ）wt横掠单管的空气流速由毕托管和倾斜倾压计测出。对毕托管的全压孔 1 中驻点（图中 2 点，参数用下角标“0”表示）和静压孔（图中 3 点）列伯努利方程（见图 42） ，有 gupZgupZ200由于 =Z， =0，故有0zu201up（式中 为空气密度）u2p 由倾斜微压计读出。测量中读出的是倾斜微压计的倾斜管液柱长H（mm） 。考虑到斜管的倾斜角以及将液柱密度（倾斜微压计中液体是煤油）折合成水柱密度等因素，读出的 H 值应当乘以斜压计的倍率。本实验中斜压计倍率为 0.2，故实际压差高度为 =0.2H。h压差（ 为水的密度） 。这样空气流速计算式变为1pL3d （
11、810）d3 2dp p 0图 2 毕托静压管10/2hgu取水的密度 =1000 ，则上式最后变为3/mkg(4-6)hgu2式中 ,为 mmH2O. 为空气密度（由空气温度查表）h为了使一台电位差计能测出试件工作电压、工作电流及热电偶热电势，实验装置中设置了转换开关。四、实验步骤1、阅读实验指导书，熟悉本实验的实验装置与测试仪表。2、将单管试件安装在风道中（每实验小组单管直径不变，Re 的改变通过改变进风口的流通面积大小实验，实验中进风口面积改变五次，也即可调五个空气流速） 。3、启动风机（即接通电源） ，将风机进风口面积调节至适当大小，待工况稳定后进行测量。4、用电位差计（通过转换开关）
12、测出试件的电压降（读数为 mV） 。5、用电位差计（通过转换开关）测出试件的工作电流（读数为 mV） 。6、用电位差计（通过转换开关）测出试件表面热电偶的热电势 单位7、读出倾斜微压计的斜管液面长度 H（mm） 。8、调节进风口进风面积，调好后重复 47 的操作步骤。9、实验结束，关闭电源。五、最小二乘方法求 C、n为书写方便起见，令（45）式中 ,bCxyNuln,Rel,ln（45）式变为(4-7)bnXy实验得到 N 组（Re、Nu）就有 N 组（y、x） 。将每一组 y、x 记为 yi, xi (i=1N)设每一次实验得到的 yi 值与按 算出的 y 值之差为bnxyi).(yii x
13、yii22)(bnii在 时求出的 n、b 值可使误差最小。0,112bnNii由上面二个偏导数等于零可得到(4-8)Nii iiiiybXnYX112因此只要算出 , , , ,四个值，并代入（48）i12iXNiiY1iy式就可解出 n、b 值，然后由 求出 C 值，这样就求出了准则方bln程的具体形式。说明：1）由于每个实验小组只测出五组（Re、Nu）数据，实验数据的组数不够，因此必需把本班另一实验小组的五组数据取来，然后由最小二乘方法求出 C、n 值。2）C、n 值的参考数值为：Re=440 C=0.821 n=0.385Re=404000 C=0.615 n=0.466Re=4000
14、40000 C=0.174 n=0.618Re=40000250000 C=0.0239 n=0.805实验四 微元表面 dA1 到有限表面 A2 的角系数测量实验一、实验目的1、加深对角系数物理意义的理解，学习图解法求角系数的原理和方法；2、掌握角系数测量仪(即机械式积分仪 )的原理和使用方法；3、用角系数测量仪测定微元表面 dA1(水平放置)到有限表面 A2(A2 为矩形、垂直放置)的角系数 。21AdF二、图解法求角系数原理角系数 是 dA1 发射的辐射能落到 A2 上的能量的份额。设 dA121AdF为黑体，则 dA1 发射的辐射能为 dQb=dA1Eb1（E b1 为 dA1 的辐射
15、力） ；若落到 A2 上的根据定向辐射强度定义， 则有,2,AdQ1221,bAdAdF（1）根据定向辐射强度定义， 可表示为21,AdbQ1,121 CosIdAb(2)式中：I b1dA1 的定向辐射强度， 1bEIA2 上的微元面积 dA2 对 dA1 所张的立体角ddA1Cos dA2 上所看到的发射面积(可见发射面积)1dA1 与 dA2 的连线与 dA1 的法线间夹角(2)式中有关符号的意义见图 1。图解法求角系数的具体方法是：以 dA1 为球心，作一个半径为 R 的半球面( 见图 1)，再从 dA1 中心向 dA2 的周线上各点引直线，这些直线与球面的交点形成的面积记为 dAs，
16、显然 dAs 对 dA1 所张的立体角也是 ，1d于是 ，可用球面上的 dAs 来计算，结果是 代入(2) 式得1d ,2RdAs1211, 121 CoERdACoEbQSbSAb （3）图 1 角系数 FdA1-A2 图解原理从 dA1 中心到 A2 的周线上各点作直线，这些直线在球面上截出的面积记为 As，则有 ss AsbdSbdb RdCoERdACoEQ21121, 121 （4）(4)式中 Cos dAs 正好是球面上的面积 dAs 在水平面上投影面积1dAsp，于是(4)式可改为2121,21 RAdEdAEdQspbspbAb （5）式中：A sp 为球面上面积 As 在水平
17、面上投影面积。把(5)式代入(1)式可得221RAFspd（6）(6)式便是图解法求角系数的原理式。根据(6)式，图解法求角系数时，只要以 dA1 为球心作一个半径为 R 的半球面，再从 dA1 中心21Ad向 A2 周线上各点引直线，各直线在球面上截出的面积为 As，最后将 As投影到半球底面上得投影面积 Asp，测量出 Asp 大小，就可按(6) 式求出角系数 。21dF上述推导中曾假定 dA1 为黑体，实际上在一定的假定条件下（6）式对灰体也成立。三、角系数测量仪结构和测角系数 的原理及方法21AdF角系数测量仪是根据图解法原理测微元表面到有限表面角系数的机械式积分仪。本实验中用的是 S
18、M1 型机械式积分仪，它的基本结构见图2。主要有立柱、滑杆、平行连杆、镜筒、记录笔、平衡块、镜筒上的瞄准镜、底座、方位角旋钮、高变角旋钮等组成。图 2 SM-1 型角系数测量仪结构图图 3 为 SM-1 角系数测量仪示意图。立杆 1 垂直于水平面 MN 于 B点。立杆可绕其轴线旋转，以带动滑杆 2 旋转。滑杆 2 通过两根长度皆为R 的平行连杆 a、b 保持与 MN 垂直。连杆 a 即是测量仪的镜筒，A 点为假想的球心(dA 1)。滑杆 2 的下部为记录笔 3。当镜筒上的 C 点对准 A2 周线扫瞄时，滑杆 2 可以旋转和上、下移动(对 A2 的水平周线部分扫瞄时，滑杆转动；对 A2 的垂直周
19、线部分扫瞄时，滑杆上、下移动，这时山立杆、滑杆、连杆 a、b 组成的四边形发尘变形，从而使记录笔沿半径方向移动。)图 3 SM-1 角系数测量仪示意图测量时仪器放置见图 4。瞄准镜是 dA1，A 2 为垂直放置的 ab 的矩形面积。在测量仪底座下放一张大白纸(或方格纸) ，手握平衡块使镜筒放到水平位置（即将连杆放到最低位置） ，然后手握平衡块使立柱旋转 ，360这时记录笔在白纸上黑出一个半径为 R 的圆。再手握平衡块，通过瞄准镜瞄准 A2 的周线扫瞄一周(瞄准时瞄准镜圆孔中心、十字中心与 A2 周线上的点要连成一线)，这时记录笔在白纸上画出的面积就是 Asp，测量出Asp 和圆的面积，两者之比
20、就是角系数 FdA1-A2(对 A2 周线扫瞄时，也可通过调整方位角和高度角进行)。四、实验步骤1、将测量仪盖板卸下，并水平地放在桌面上，放置时要把有定位铜圈的一面朝上。在盖板上贴上白纸，注意在盖板的定位铜圈处白纸要开一小孔以使定位铜圈露出。2、将测量仪放在盖板上，这时要使测量仪底坐上的孔对准盖板上的定位铜圈。3、将仪器箱体靠盖板垂直放置(注意盖板上的箭头与箱体上箭头对准) 。这时箱体上的 ab 的矩形就是 A2。4、将镜筒放到水平位置(即连杆放到最低位置) ，锁紧连杆，放下记录笔，旋转立杆(通过平衡块来旋转 )，使记录笔在白纸上画出半径为 R 的圆。5、将记录笔抬起，放松锁紧旋钮，调整方位角
21、和高低角，瞄准 A2 的周线进行扫瞄操作练习(扫瞄练习也可不通过调整方位角，高低角进行，而是直接手握平衡块进行)，练习到描瞄动作熟练、准确时方可正式测定。6、放下记录笔，细心地扫描 A2 的周线一圈，记录笔这时在白纸上画出的面积即是 Asp。7、用求积仪测出 Asp 面积大小，并测量白纸上圆的半径 R 的尺寸，然后按 系数。注意，对同一个 A2 一般要测量若干次，以求221RFspAd得平均角系数。8、测量 A2 的尺寸 a、b 及图 4 中的尺寸 C，按下列理论公式计算出角系数 ，并与测量的角系数值进行比较。1dF )11(2221 yxtgyxtgA 五、注意事项1、锁紧旋钮通常应处于放松
22、状态，当锁紧旋钮处于锁紧状态时，不得改变仪器的高度角，否则将损坏齿轮。2、每次描瞄结束时应立即抬起记录笔，以免弄脏记录纸。图 4 实验操作时仪器放置构图实验五 两端为第一类边界条件的伸展体传热特性实验一、实验目的培养学生通过实验手段和试验的数据分析，求解具有对流换热条件的伸展体的传热特性。二、实验装置及测量方法本试验装置山风道、风机、试验元件、主付加热器、测量热电偶等组成。详见装置系统图 1。图 1 试验装置的系统简图1、风机 2、风道 3、等截面伸展体 4、主加热器 5、测温热电偶 6、付圳热器 7、热电偶拉杆及标尺 8、热电偶冷端 9、电位差计 10、电压表 11、风机转换开关 12、调压
23、变压器试件是一紫铜管，放置在一风道中。山风机和风道造成空气均匀地横向流过管子表面的对流换热条件。管子表面各处的换热系数基本上是相同的。管子两端装有加热器，以维持两端处于所要求的温度状况。这样就构成一两端处于某温度的，中间具有对流换热条件的等截面伸展体。为了测量铜管沿管长的温度分布，在管内安装有可移动的热电偶测温头。其冷端就放置在空气中，这样通过 UJ36 电位差测出的热电势，就反映了管子各载面的过余温度，其相应的位置由带动热电偶测温头的滑动块在标尺上读出。管子两端的加热器，通过调压变压器来控制其功率，以达到控制两端温度的目的。为了改变空气对管壁的换热条件。风机的工作电压亦相应地可作调整，以改变
24、空气流过管子表面的速度。试件的基本参数：管子外径：do=11.5mm 管子内径 di=10mm管子长度 L=200mm 管子导热系数 =398wm三、实验原理具有对流换热的等截面伸展体当长度与横截面之比很大时(常物性) 其导热微分方程式为：AaUmdx2其中：m系数 ；过余温度 ();ftt伸展体温度()；tf伸展体周围介质的温度() ：Q空气对壁面的换热系数， (Wm 2，) ：U伸展体周长，本试验中 U= (m)；doA伸展体截面面积，本试件为 )(,(4210A伸展体内的温度分布规律，由边界条件和 m 值确定。四、完成本试验的具体作法（1）解： 02mdx截面积为 A，周长为 U 的棒状
25、体(棒导热系数为 )两端分mW/别与相距 L 的两大平壁相连接( 平壁保持定温 tw1 和 tw2。园棒与空气接触，空气温度为 tf。(设 tw1tft w2 棒与空气的对流换热系数为 Q(wm 2)求：沿 X 方向的过余温度。的分布方程式：分析沿 X 方向棒的温度分布曲线的可能形状，分析各参数：L、U、A、 、d、tw 1、tw 2、t f 的影响：棒的最低温度截面的位置表达式(当 0XL 存在最低温度值时)：棒两端从壁导入的热量，Q 1 及-Q 2。(2)练习直径为 25mm，长为 300mm 的钢棒( =50wm)两端分别与大平壁相连接，平壁保持定温 tw1=200，t w2=60，钢棒
26、向四周空气散热，空气温度为 tf=20，对流换热系数为 =20wm 2。计算温度分布。求棒的最低温度点的位置及其温度值。绘出该棒的温度分布曲线。求棒向空气的散热量。分别求出壁面 1 和壁面 2 与棒之间的导热量。在 为什么值时，壁面 2 为绝热面?并画出温度分布曲线，求每小时散入空气的热量。以上二项要求在进行试验前完成。(3)试验要求：(一) 测出一定条件下，导体内不同截面的过余温度值。(二)刚测得的不同 x 位置过余温度 。数据求出试验条件的 m 值及值：(三)用求得的 m 值( 根据试验条件 )，用分析公式计算过余温度分布，过余温度最低值处的位置及其值，并与实测结果比较。通过理论分析与试验
27、实测，总结对具有对流换热表面的伸展体传热性的认识。可以包括具体作法中(1)(3)的基本内容。附：（1）方程 在第一类边界条件下，即 X-0 02dx= ，X=L1= ，的解为：2)()()(112XLmshxsmlsh式中：m= 893.1AU0dA= 214(2) 伸展体表面与流体间换热量)()()()12121 22mlchlshAQlsLch(3)m 值可测出，方法是在伸展体上测三点温度X=Xa 处 a X=Xb 处 b X=Xc 处 c则 （推导见下）)2(crhLm这里 L=Xc-Xa = b Xb 是 Xc 与 Xa 的中点)2()2()(12 LmshslshL)()( csml)2()2(112 LLarhch（4）由 可得到过余温度最低值的点的 X 坐标值 Xmn0dx
