1、傳熱學實驗指導書周露亮編 2009年11月目錄實驗要求 (2實驗一球體法粒狀材料的導熱系數的測定 (3實驗二平板法導熱系數的測定 (7實驗三套管換熱器液-液換熱實驗 (12實驗四中溫輻射黑度的測定 (16附錄1 銅-康銅熱電偶分度表 (21附錄2 精密數字溫度溫差儀使用方法 (22實驗要求1.實驗前應預習與實驗有關的教材內容和實驗指導書,了解實驗目的、實驗原理和實驗要求,做到心中有數。2.在實驗室要首先熟悉實驗裝置的構造特點、性能和使用方法,使用貴重儀器時需得到指導教師的許可,方可動用。3.實驗時應嚴肅認真、一絲不茍,細致地觀察實驗中的各種現象,并作好記錄,通過實驗,訓練基本操作技能和培養科學

2、的工作作風。4.實驗結束時,學生先自行檢查全部實驗記錄,再經指導教師審閱后,方可結束實驗。5.學生實驗時,如出現實驗儀器損壞情況,應及時向指導教師報告。6.按規定格式認真填寫實驗報告,并按期交出。實驗一球體法粒狀材料的導熱系數的測定一、實驗目的1.鞏固穩定導熱的基本理論,學習球體法測定物質的導熱系數的實驗方法;2.實驗測定被測材料的導熱系數;3. 繪制出材料導熱系數與溫度t的關系曲線。二、實驗原理加熱圓球(見圖1由兩個壁厚1.2毫米的大小同心圓球(1組成。小球內裝有電加熱器(2用來產生熱量。大球內壁與小球外壁各設有三對銅-康銅熱電偶(4。當溫度達到穩定狀態后,電加熱器產生的熱量全部通過中間的測

3、試材料(3傳到外 氣。1.大小同心球;2.電加熱器;3.顆粒狀試材;4.銅康銅熱電偶;5.專用穩壓電源;6.專用測試儀;7.底盤;8.UJ36a電位差計圖1 加熱圓球示意圖測取小球的溫度t1,t2,t3, 取其平均溫度:T1=(t1+ t2+ t3/3;測取大球的溫度t4,t5, t6,取其平均溫度:T2=(t4+ t5+ t6/3;根據圓球導熱公式:=UI(1/ D1-1/D2/2(T1+ T2-(1; 式中:U加熱電壓;I加熱電流;D1小球直徑;D2大球直徑;三、實驗裝置及主要技術指標實驗裝置YQF-1型導熱系數測定儀的面板圖見圖2專用電源的面板圖見圖3 圖2 YQF-1型導熱系數測定儀的

4、面板圖圖3 專用電源的面板圖1.電源開關;2.電源指示燈;3. 3.5位數顯毫伏表;4.毫伏表調零電位器;5.補償電壓調節電位器;6.補償按鍵;7.熱電偶測量電壓輸出端;8.熱電偶輸入選擇開關。1.電源開關; 2.電源指示燈;3.電壓表;4.電流表;5.過載指示燈;6.電源輸出端;7.電源輸出粗調; 8.電源輸出細調。1.加熱圓球1.1測量材料:顆粒狀材料,例如黃沙,珍珠巖等1.2測量溫度范圍:502001.3加熱電壓:060V 加熱電流:01A(因不同的材料而不同1.4圓球尺寸:小球直徑D1=80mm 大球直徑D2=160mm1.5穩定時間:約45小時2.導熱系數測定儀2.1數顯毫伏表:3.

5、5位顯示,量程020mV,測量精度:0.1%2個字2.2溫度補償范圍:-1040,補償精度0.53.專用電源3.1輸出電壓:080V3.2輸出電流:01A3.3連續工作時間:8小時四、實驗方法和步驟使用前,先在加熱圓球的頂部用漏斗裝入測試材料,如果已加好試材,則可進行實驗。1.按圖3所示進行儀器的連接。穩壓電源的輸出通過電流表專用插頭接到加熱圓球底盤上的插座。電源輸出“+”端串接電流表。電流表“-”與電源輸出“-”端并接電壓表。2.將15芯信號線的一端插入加熱圓球底座(7專用插座,另一端插到導熱系數測定儀后面板上的15芯插座上。3.將穩壓電源的輸出調到最小位置,即粗調和細調均逆時針打到底。開啟

6、電源開關,指示燈亮。調節粗調和細調開關,改變輸出電壓,根據電壓表和電流表的指示,調節加熱功率至所需的電流和電壓值。4.打開導熱系數測定儀的電源開關。先進行數顯毫伏表的調零。將面板右下方的輸出端短接,用小一字螺絲刀調節右上角的調零電位器,使毫伏表顯示為零。若已為零則無須調節。去掉短接線就可進行測量。5.若想檢測儀器內部的溫度補償是否正常,只須按下“補償”鍵,則數顯毫負表顯示的值即位補償電壓。對照環境溫度,通過查看附錄1即可知道補償電壓是否準確。若不準確,可用小一字螺絲刀微調“補償”按鍵上方的補償電位器至準確的補償值即可。再按“補償”按鍵使它彈起即回到測量狀態。6.觀察加熱圓球的溫度變化情況。當數

7、顯毫伏表或電位差計(UJ36a型的讀數不再變化,則表示溫度已達到穩定。這時用精密電壓表和電流表測得U和I的值,即可計算得到加熱功率。轉動導熱系數測定儀上的輸入選擇旋鈕(8。這樣就能選擇6個熱電偶進行分別測量。7.輸入選擇旋鈕測得的mA值加上補償mA值即為熱電偶測量值,對照附錄1“銅康銅熱電偶分度表”即可查得對應的測量溫度。五、實驗數據記錄和處理 導熱系數根據式(1計算2、繪制材料導熱系數與溫度t的關系曲線。六、思考題1、為什么大球內壁與小球外壁要設三對熱電偶?2、實驗室內的空氣流通對實驗有何影響?實驗二平板法導熱系數的測定一、實驗目的1、利用物體的散熱速率求導熱速率2、測量物體在室溫100多點

8、的導熱系數,繪制t曲線。二、實驗原理導熱是物體相互接觸時,由高溫部分向低溫部分傳遞熱量的過程。當溫度的變化只是沿著一個方向(設Z方向進行的時候,熱傳導的基本公式可寫為: dQ = -(dT/dz dsdt (2-9-1它表示在dt時間內通過ds面的熱量為dQ,dT/dz為溫度梯度,為導熱系數。 如圖,待測物B的上下表面分和上下銅盤接觸,熱量由高溫銅盤A通過待測物B向低溫銅盤傳遞,若B很薄,則通過B側面向周圍環境的散熱量可以忽略不計,視熱量沿著垂直B的方向傳遞。那么,穩態導熱的情況下,在t時間內,通過面積為S、厚度h的勻質板的熱量為Q = -(T/hSt (2-9-2Q/t = -(T/hS (

9、2-9-3 T表示勻質圓板兩板面的恒定溫差,Q/t便為待測物的導熱速率。只要知道了導熱速率,由(2-9-3式即可求出。實驗中,使上銅盤A和下銅盤P分別達到恒定溫度T1、T2,并設T1T2。即熱量由上而下傳遞,通過下銅盤P向周圍散熱。因為T1和T2不變,所以,通過B 的熱量就等于P向周圍散發的熱量,即B的導熱速率等于P的散熱速率。因此,只要求出了P在溫度T2時的散熱速率,就求出了B的導熱速率Q/t。因為P的上表面和B的下表面接觸,所以P的散熱面積只有下表面面積和側面積之和,設為S b。而實驗中冷卻曲線P是全部裸露于空氣中測出來的,即在P 的上下表面和側面都散熱的情況下記錄出來的。設其全部表面積為

10、S c,根據散熱速率與散熱面積成正比的關系得(Q/tb/(Q/tc=S b/S c (2-9-4式中:(Q/tb為S b面積的散熱速率;(Q/tc為S c面積的散熱速率。而散熱速率(Q/tb就等于(2-9-3式中的導熱速率Q/t,則(2-9-3式便可寫作: (Q/tb = -(T/hS (2-9-5設下銅盤直徑為D,厚度為,那么有S b = (D/22+DS c = 2(D/22 +D (2-9-6 由比熱容的基本定義C = Q/mT得Q = cmT故 (Q/tc = cmT/t (2-9-7 將(2-9-6 、(2-9-7兩式代入(2-9-4式,得將式(2-9-8代入(2-9-5式得= -

11、cmKh(D + 4/D2(T1- T2(2D+4 (2-9-9 三、實驗裝置 四、實驗步驟1、用游標卡尺多次測量下銅盤的直徑D、厚度和待測物厚度L,然后取平均值。下銅盤的質量m由天平稱出,其比熱容C = 3.80510J/kg。2、安置圓筒、圓盤時,須使放置熱電偶的洞孔與杜瓦瓶同一側。熱電偶插入銅盤上的小孔時,要抹上些硅脂,并插到洞孔底部,使熱電偶測溫端與銅盤接觸良好,熱電偶冷端插在冰水混合物中使溫度控制在0。3、據穩態法,必須得到穩定的溫度分布,這就要等待較長的時間,為了提高效率,可先將電源電壓打到高檔,加熱約20分鐘后再打至低檔。然后,每隔5分鐘讀一下溫度示值,如在一段時間內(如10分鐘

12、樣品上、下表面溫度T1、T2示值都不變,即可認為已達到穩定狀態。記錄穩態時T1、T2值后,移去樣品,再加熱,當下銅盤溫度比T2高出10C左右時,移去圓筒,讓下銅盤自然冷卻。每隔30秒讀一次下銅盤的溫度示值,最后選取鄰近的T2測量數據來求出散熱速率。在采用PID自動控溫時,可連續在50C 、 60C 、70C、 80C 、90C 、100時并使得在各點T1、T2值穩定不變(準穩定狀態。記錄穩態時各溫點T1、T2值后。照上述方法移去圓筒,讓下銅盤自然冷卻。每隔1020秒讀一次下銅盤散熱速率,代入公式進而測得樣品在以上不同溫度下的導熱系數。4、本實驗選用銅-康銅熱電偶測溫度,溫差100時,其溫差電動

13、勢約4.0mV,故應配用量程010mV,并能讀到0.01mV的數字電壓表(數字電壓表前端采用自穩零放大器,故無須調零。由于熱電偶冷端溫度為0,對一定材料的熱電偶而言,當溫度變化范圍不大時,其溫差電動勢(mV與待測溫度(的比值是一個常數。由此,在用式2-9-9計算時,可以直接以電動勢值代表溫度值。5、使用前將加熱盤與散熱盤面擦干凈。樣品兩端擦凈,可涂上少量硅油,以保證接觸良好。注意,樣品不能連續做試驗,特別是橡皮、牛筋必須降至室溫半小時以上才能進行下一次實驗。6、在實驗過程中,若移開電熱板,就先關閉電源。移開熱圓筒時,手應拿住固定軸轉動,以免燙傷手。五、實驗數據記錄與處理1、列表記錄下銅盤自然冷

14、卻的溫度變化 2、計算冷卻速率和導熱系數, 列表如下 3、繪制t曲線。六、思考題1、下銅盤散熱速率等于待測物B導熱速率的條件是什么?2、熱電偶插入銅盤上的小孔時為什么要抹上些硅脂?3、怎樣判斷導熱進入準穩定狀態?4、用式2-9-9計算時,可否直接以電動勢值代表溫度值?為什么?實驗三 套管換熱器液-液換熱實驗一、實驗目的1. 通過實驗,測定在套管換熱器中進行的液液熱交換的傳熱總系數,流體在圓管內作強制湍流時的傳熱系數。2. 對在強制對流下進行液液熱交換過程,驗證求算傳熱膜系數的關聯式。通過實驗取得新物系的傳熱系數的數據及其計算式。3. 通過本實驗,了解傳熱過程的實驗方法,在實驗技能上受到一定的訓

15、練,并加深對傳熱過程基本原理的理解。二、 實驗設備本實驗裝置主要由套管熱交換器(121.5mm 的黃銅管為內管,202.0mm 的有機玻璃管為套管所構成、恒溫循環水槽(控制恒溫、高位穩壓水槽(保持水壓恒定以及一系列測量和控制儀表所組成,裝置流程如圖所示。 溫度器兩端測試點的圖 套管熱交換體熱流體三、 實驗的方法與步驟1、向恒溫循環水槽灌入蒸餾水或軟水,直至溢流管有水溢出為止。2、開啟并調節通往高位穩壓水槽的自來水閥門,使槽內充滿水,并溢流管有水流出。3、將冰碎成細粒,放入冷阱中并摻入少許蒸餾水,使之濁狀。將熱電偶冷接點插入冰水中,蓋嚴蓋子4、循環水槽的溫度自控裝置的溫度定為55。啟動恒溫水槽的

16、電熱器。等恒溫水槽的水達到預定溫度后即可開始實驗。5、開啟冷水截止球閥,測定冷水流量,實驗過程中保持恒定。6、啟動循環水泵,開啟并調節熱水調節閥。熱水流量在60250L/h 范圍內選取若干流量值(一般要求不少于45組測試數據,進行實驗測定。7、每調節一次熱水流量,待流量和溫度都恒定后,再通過琴鍵開關,依次測定個點溫度。四、實驗結果整理1、記錄實驗設備基本參數。實驗設備型式和裝置方式:水平裝置套管式熱交換器內管基本參數:材料:黃銅外徑:d= mm壁厚:= mm測試段長度:L= mm套管基本參數:材料:有機玻璃外徑:d= mm壁厚:= mm流體流通的橫截面積:內管橫截面積:S= mm2環隙橫截面積

17、:S= mm2熱交換面積:內管內壁表面積:Aw= mm2內管外壁表面積:Aw= mm2平均熱交換面積;A = mm22.實驗數據記錄: 3.實驗數據整理:(1求取總傳熱系數; (2由實驗數據求取流體在圓形內做強制湍流時的傳熱膜系數。實驗數據可參考下表整理 (3由實驗原始數據和測得的值,對水平管內傳熱膜系數的準數關聯式進行參數估計。整理數據: 列出表中各項計算式,水平管內傳熱膜系數的準數關聯式:Nu = aRePrPr n視為定值與a項合并,上等式為 Nu = ARem上等式兩邊去對數,使之線性化,即 lgNu = mlgRe + lgA 用最小二乘法進行線性回歸,估計參數A和m。取Pr均值為定

18、值,且取n=0。3,由A計算到a值。最后,列出參數估計值:A = ;m = ;a =實驗四 中溫輻射黑度的測定一、實驗目的1、鞏固黑度的概念和輻射理論知識2、用比較法定量地測定中溫輻射時的黑度二、實驗原理由n 個物體組成的輻射換熱系統中,利用凈輻射法,可以求物體i 的純換熱量i i b i k idk k eff nk F i i e i abs i net F E dF E d Q Q Q k .(.1.-=-= (1式中: i F : i 面面積.i net Q . : i 面的凈輻射換熱量. i abs Q . : i 面從其他表面的吸熱量. i e Q . : i 面本身的輻射熱量.

19、i : i 面的黑度.idk .(: K 面對i 面的角系數. k eff E . : K 面的有效輻射力.i b E . : i 面的輻射力. i d : i 面的吸收率.根據本實驗的設備情況,可以認為: 1、熱源1、黑體腔體2為黑體.2、熱源1、黑體腔體2、待測物體(受體3,它們表面上的溫度均勻(圖1 1熱源1 2 3 2黑體腔體 3待測物體(受體 因此,公式(1可寫成:33.33-+=2.333.22F F =3.3(F E F E F E F Q q b b b net -+=由于受體3與環境主要以自然對流方式換熱,因此: (33f t t q -= (33: 對流換熱系數3t : 待

20、測物體(受體溫度 f t : 環境溫度由(2,(3式可得: 32.123.1133(b b b f E E E t t -+-= (4由此,(4式可寫成: (434133133T T t t E E t t f b b f -=-= (5式中 b 稱為斯蒂芬玻爾茨曼常數.,其值為428/107.5K m w -對不同待測(受體a 、b 的黑度為:(43413a a f a a a T T T T -= ; (43413b b f b b b T T T T -=設b a = 則4341434133aa b b fb f a ba T T T T T T T T -= (6當為黑體時,1b ,(

21、6式可寫成 4341434133aa b b fb f a a T T T T T T T T -=三、實驗裝置實驗裝置簡圖如圖所示 1.熱源2.黑體腔體3.被測受體4.導熱5.黑體腔體右加熱電壓表6. 黑體腔體左加熱電壓表7.熱源加熱電壓表8.熱源電壓旋鈕9.黑體腔體左電壓旋鈕 10. 黑體腔體右電壓旋鈕 11.測溫接線柱12. 測溫轉換開關 13.電源開關熱源腔體具有一個測溫熱電偶,傳導腔體有二個熱電偶,受體有一個熱電偶,它們都可以通過琴鍵轉換開關來切換.四、實驗步驟本儀器用比較法定量地測定物體的黑度,具體方法是通過三組加熱器電壓的調整(熱源一組,黑體腔體二組,使熱源和黑體腔體的測溫點穩定

22、在同一溫度上,然后分別將“待測”(受體為待測物體,具有原來的表面狀態和“黑體”(受體仍為待測物體,但表面薰黑兩種狀態的受體在相同的表面溫度條件下,分別測出受到輻射后的受體溫度,就可按公式計算出待測物體的黑度.具體步驟如下:1、將熱源腔體和受體(使用具有原來表面狀態的物體作為受體靠緊黑體腔體2、用導線將儀器上的測溫接線柱11與電位差計(用戶自備上的”未知”接線柱”+”“-”極聯接好.按電位計使用方法進行調零、校準并選好量程(XI檔.3、接通電源、調整熱源、黑體腔體左和右的調溫旋鈕,使其相應的電壓表指針調至紅點位置,加熱約40分鐘左右,通過測溫轉換開關,測試熱源,黑體腔體左、黑體腔體右的溫度,并根

23、據測得的溫度,微調相應電壓旋鈕,使其三點溫度盡量一致.4、系統進入恒溫后(各測溫點基本接近,且在五分鐘內各點溫度波動小于3,開始測試受體溫度,當受體溫度屋分鐘的變化小于3時,記下第一組數據。5、取下受體,將受體冷卻后,用松脂(帶有松脂的松木或蠟燭將受體薰黑,然后重復以上實驗,測得第二組數據。將兩組數據代入公式即可得出待測物體的黑度。6、注意事項1熱源及腔體的溫度不宜超過2002每次做原始狀態實驗時,用汽油或酒精將待測物體表面擦凈,否則,實驗結果將有較大出入.五、實驗數據記錄和處理1、實驗數據記錄,填寫下表: 序號 熱源 mv 傳導 1 mv 2 受 體 (紫 銅 熏 黑 mv 備注 1 2 3

24、 平 均 2、計算黑度。 根據(6式本實驗所用計算公式為: 受 T受 (T源 4 T0 4 = 0 T (T 4 T 4 0 源 受 式中: 0 受 T受 T0 T源 T源 T0 T受 相對黑體的黑度,該值可假設為 1. 待測物體(受體的黑度. 受體與環境的溫差. 黑體與環境的溫差. 受體為相對黑體時熱源的絕對溫度. 受體為被測物體時熱源的絕對溫度. 相對黑體的絕對溫度. 待測物體(受體的絕對溫度. 20 附錄 1 溫度 。 銅康銅熱電偶分度表 4 5 6 7 8 9 10 溫度 。 0 1 2 3 C -1.475 -1.121 -0.757 -0.383 0.000 -1.510 -1.1

25、57 -0.794 -0.421 -0.039 -1.544 -1.192 -0.830 -0.458 -0.077 -1.579 -1.228 -0.867 -0.496 -0.116 熱電動勢（mV） -1.614 -1.263 -0.903 -0.534 -0.154 -1.648 -1.299 -0.940 -0.571 -0.193 -1.682 -1.334 -0.976 -0.608 -0.231 -1.717 -1.370 -1.013 -0.646 -0.269 -1.751 -1.405 -1.049 -0.683 -0.307 -1.785 -1.440 -1.085 -

26、0.723 -0.345 -1.819 -1.475 -1.121 -0.757 -0.383 C -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 0 10 20 30 40 0.000 0.391 0.789 1.196 1.611 0.039 0.430 0.830 1.237 1.653 0.078 0.470 0.870 1.279 1.695 0.117 0.510 0.911 1.320 1.738 0.156 0.549 0.951 1.361 1.780 0.195 0.589 0.992 1.403 1.822 0.234 0.629 1.032 1.

27、444 1.865 0.273 0.669 1.073 1.486 1.907 0.312 0.709 1.114 1.528 1.950 0.351 0.749 1.155 1.569 1.992 0.391 0.789 1.196 1.611 2.035 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2.035 2.467 2.908 3.357 3.813 2.078 2.511 2.953 3.402 3.859 2.121 2.555 2.997 3.447 3.906 2.164 2.599 3.042 3.493 3.952 2.207 2.643 3.087 3.5

28、38 3.998 2.250 2.687 3.131 3.584 4.044 2.294 2.731 3.176 3.630 4.091 2.337 2.775 3.221 3.676 4.137 2.380 2.819 3.266 3.721 4.184 2.424 2.864 3.312 3.767 4.231 2.467 2.908 3.357 3.813 4.277 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 4.277 4.749 5.227 5.712 6.204 4.324 4.796 5.275 5.761 6.254 4.371 4.844 5.32

29、4 5.810 6.303 4.418 4.891 5.372 5.859 6.353 4.465 4.939 5.420 5.908 6.403 4.512 4.987 5.469 5.957 6.452 4.559 5.035 5.517 6.007 6.502 4.607 5.083 5.556 6.056 6.552 4.654 5.131 5.615 6.105 6.602 4.701 5.179 5.663 5.155 6.652 4.749 5.227 5.712 6.204 6.702 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 DEG 6.

30、702 7.207 7.718 8.235 8.757 0 6.753 7.258 7.769 8.287 8.810 1 6.803 7.309 7.821 8.339 8.863 2 6.853 7.360 7.872 8.391 8.915 3 6.903 7.411 7.924 8.443 8.968 4 6.954 7.452 7.975 8.495 9.021 5 7.004 7.513 8.027 8.548 9.074 6 7.055 7.564 8.079 8.600 9.127 7 7.106 7.615 8.131 8.652 9.180 8 7.156 7.666 8.