傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)(導(dǎo)熱,對(duì)流)-2015

1、實(shí)驗(yàn)一 穩(wěn)態(tài)球體法測(cè)粒狀材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)球體法測(cè)材料的導(dǎo)熱系數(shù)是基于等厚度球狀壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程，它特別適用于粒狀松散材料。球體導(dǎo)熱儀的構(gòu)造依球體冷卻的不同可分為空氣自由流動(dòng)冷卻和恒溫液體強(qiáng)制冷卻兩種。本實(shí)驗(yàn)屬后一種恒溫水冷卻液套球體方式。一、實(shí)驗(yàn)原理圖1所示球壁的內(nèi)外直徑分別為d1和d2（半徑為r1和r2）。設(shè)球壁的內(nèi)外表面溫度分別維持為t1和t2，并穩(wěn)定不變。將傅里葉導(dǎo)熱定律應(yīng)用于此球壁的導(dǎo)熱過程，得 W （1）邊界條件為：r=r1 t=t1 r=r2 t=t2 由于在不太大的溫度范圍內(nèi)，大多數(shù)工程材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化可按直線關(guān)系處理，對(duì)式（1）積分并代入邊界條件，得 W （

2、2） 或 W/(m·) （3）圖 1 原理圖式中 球壁之間材料厚度，=（d2-d1）/2，m；mtm =(t1+t2)/2時(shí)球壁之間材料的導(dǎo)熱系數(shù)； 加熱電壓，伏特V； 加熱電流，安培A；內(nèi)球外壁溫度，；外球內(nèi)壁溫度，。因此，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)測(cè)出內(nèi)外球壁的溫度t1和t2，然后可由式（3）得出tm時(shí)材料的導(dǎo)熱系數(shù)m 。測(cè)定不同tm下的m值，就可獲得導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系式。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備導(dǎo)熱儀本體結(jié)構(gòu)及量測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。圖 2體結(jié)構(gòu)及量測(cè)系統(tǒng)示意圖本體由兩個(gè)同心球組成。內(nèi)球?yàn)辄S銅厚壁空心球體，殼外徑d1，球內(nèi)布置熱電偶、加熱器及絕緣導(dǎo)熱介質(zhì)；外球?yàn)閮蓚€(gè)厚0.51mm的不銹鋼薄壁球殼組成

3、，內(nèi)球殼內(nèi)徑d2，內(nèi)外球殼之間充有流動(dòng)的恒溫水，以保持d2溫度基本不變。外球d2內(nèi)壁壁與內(nèi)球d1之間均勻充填粒狀散料。一般d2為150200mm，d1為70100mm，故充填材料厚為50mm左右，內(nèi)球中電加熱器加熱，它產(chǎn)生的熱量將通過球壁充填材料導(dǎo)至外球殼。為使內(nèi)外球殼同心，兩球殼之間有支承桿。外球殼是一種外殼加裝冷卻液套球，套球中通以恒溫水或其他低溫液體作為冷卻介質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)為雙水套球結(jié)構(gòu)。為使恒溫液套球的恒溫效果不受外界環(huán)境溫度的影響，在恒溫液套球之外再加裝一個(gè)保溫套球。保溫球套外用塑料箱體保護(hù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表物料名稱 膨脹珍珠巖物料厚度 30mm球壁內(nèi)外直徑 d160mm d2 120mm熱面

4、溫度冷面溫度加熱功率t1t2t”2t2=( t2+ t”2)/2I（A）U(V)Q=UI(W)次數(shù)123平均導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·)三、實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)整理1球壁腔內(nèi)的試驗(yàn)材料應(yīng)均勻地充滿整個(gè)空腔。充填前注意測(cè)量球殼的直徑，充填后應(yīng)記錄試料的質(zhì)量，以便準(zhǔn)確記錄試料的容積質(zhì)量kg/m3。裝填試料還應(yīng)避免碰斷內(nèi)球殼的熱電偶及電源線，并特別注意保持內(nèi)外球殼同心。2改變電加熱器的電壓，即改變導(dǎo)熱量，tm將隨之發(fā)生變化，從而可獲得不同tm下的導(dǎo)熱系數(shù)。還可通過改變恒溫液溫度來改變實(shí)驗(yàn)工況。實(shí)驗(yàn)應(yīng)在充分熱穩(wěn)定的條件下記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)。3由式（3）計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。四、思考問題1試分析材料充填不均勻所產(chǎn)生的影響

5、？2試分析內(nèi)、外球殼不同心所產(chǎn)生的影響？3內(nèi)、外球殼之間有支承桿，試分析這些支承桿的影響？4如果用空氣自由流動(dòng)冷卻的球體試分析室內(nèi)空氣不平靜（有風(fēng)）時(shí)會(huì)產(chǎn)生什么影響。5采用什么方法來判斷，檢驗(yàn)球體導(dǎo)熱過程已達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。6采用恒溫液套球時(shí)，為什么可以把恒溫液的溫度當(dāng)作外球殼的表面溫度？7球體導(dǎo)熱儀在計(jì)算導(dǎo)熱量時(shí)，是否需要考慮熱損的問題？8球體導(dǎo)熱儀從加熱開始，到熱穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間取決于哪些因素？實(shí)驗(yàn)二 空氣橫掠單管強(qiáng)迫對(duì)流的換熱實(shí)驗(yàn)熱交換器中廣泛使用各種管子作為傳熱元件，其外側(cè)通常為流體橫向掠過管子的強(qiáng)制對(duì)流換熱方式，因此測(cè)定流體橫向掠過管子時(shí)的平均換熱系數(shù)是傳熱中的基本實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)是測(cè)定空

6、氣橫向掠過單圓管時(shí)代平均換熱系數(shù)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?、了解實(shí)驗(yàn)裝置，熟悉空氣流速及管壁的測(cè)量方法，掌握測(cè)試儀器、儀表的使用方法。2、通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合、整理，掌握強(qiáng)制對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理的方法。3、實(shí)驗(yàn)測(cè)定空氣橫掠單管時(shí)的平均換熱系數(shù)；了解空氣橫掠管子時(shí)的換熱規(guī)律。、二、實(shí)驗(yàn)原理 1. 根據(jù)牛頓冷卻公式： W (2-1)得 W/(m2×) (2-2)式中 對(duì)流換熱的熱流，W； 對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2×)； 對(duì)流換熱表面面積，m2； 流體平均溫度，； 物體表面溫度，。本實(shí)驗(yàn)采用電加熱的放熱圓管，空氣外掠圓管表面，當(dāng)換熱穩(wěn)定時(shí)，測(cè)出加熱電功率，即可得出對(duì)流換熱熱流，即：

7、W (2-3)2. 根據(jù)對(duì)流換熱的分析，強(qiáng)制對(duì)流穩(wěn)定時(shí)的換熱規(guī)律可用下列準(zhǔn)則關(guān)系式來表示： (2-4)對(duì)于空氣，因溫度變化范圍不大，上式中的普朗特?cái)?shù)Pr變化很小，可作為常數(shù)看待，故式(6-2-4)化簡(jiǎn)為： (2-4a)式中 努謝爾特?cái)?shù) 雷諾數(shù) 空氣橫掠單管時(shí)的平均換熱系數(shù)，W/(m2×)； 空氣來流速度，m/s； 特征尺寸，取管子外徑，m； 空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m×)； 空氣的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。要通過實(shí)驗(yàn)確定空氣橫掠單圓管時(shí)的與的關(guān)系，就需要測(cè)定不同流速及不同管子直徑時(shí)換熱系數(shù)的變化。因此，本實(shí)驗(yàn)中要測(cè)量的基本量為管子所處的空氣流速、空氣溫度、管子表面溫度及管子表面散出

8、的熱量。三、實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置本體是由一風(fēng)源和試驗(yàn)段構(gòu)成。 風(fēng)源為一箱式風(fēng)洞，風(fēng)機(jī)、穩(wěn)壓箱、收縮口都設(shè)置在工作臺(tái)內(nèi)。風(fēng)箱中央為空氣出風(fēng)口，形成均勻流速的空氣射流。試驗(yàn)段的風(fēng)道直接放置在出風(fēng)口上。風(fēng)道內(nèi)的空氣流量由變頻器19來調(diào)節(jié)，可以改變實(shí)驗(yàn)段風(fēng)道中空氣流速。 圖1為測(cè)定空氣橫掠單管平均換熱系數(shù)的試驗(yàn)段簡(jiǎn)圖。 1、電源開關(guān) 2、儀表開關(guān) 3、交流供電開關(guān) 4、交流調(diào)壓旋鈕 5、直流大功率電源 6、差壓表 7、交流功率表 8、電流表 9、電壓表 10、十六路溫度巡檢儀 11、四路溫度巡檢儀 12、畢托管 13、風(fēng)道 14、單管試件15、供電電極 16、熱電偶（測(cè)管壁溫）17、熱電偶（測(cè)來

9、流溫）18、分流器 19、變頻器實(shí)驗(yàn)段風(fēng)道13由有機(jī)玻璃制成。試驗(yàn)件14為不銹鋼薄壁管，橫置于風(fēng)道中間。為了保證管子加熱測(cè)量及管壁溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，管子用低壓直流電直接通電加熱，管子兩端經(jīng)接座與電源導(dǎo)板15連接，并易于更換不同直徑的試驗(yàn)管。為了準(zhǔn)確測(cè)定試驗(yàn)管上的加熱功率，在離管端一定距離處有兩個(gè)電壓測(cè)點(diǎn)a、b，以排除管子兩端的影響。銅-康銅電偶16設(shè)在管內(nèi)，在絕熱條件下準(zhǔn)確測(cè)出管內(nèi)壁溫度，從而確定管外壁溫度。試驗(yàn)管加熱用的低壓大功率直流電源5供給，輸出電流（壓）可改變對(duì)管子的加熱功率，電路中串聯(lián)一標(biāo)準(zhǔn)電阻18。用直流電壓表9測(cè)量電阻18上的電壓降，然后確定流過單管試件的電流量。試件兩測(cè)壓點(diǎn)a、

10、b間的電壓亦用直流電壓表測(cè)量。為了簡(jiǎn)化測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量管內(nèi)壁溫度tw的熱電偶，其參考點(diǎn)溫度不是攝氏零度，而是來流空氣溫度tf。即熱電偶的熱端16設(shè)在管內(nèi)，冷端17則放在風(fēng)道空氣中。所以熱電偶反映的為管內(nèi)壁溫度與空氣溫度之差（tw-tf）。風(fēng)道上裝有比托管12，通過差壓變送器由壓力表直接讀數(shù)，測(cè)出試驗(yàn)段氣流的動(dòng)壓P，以確定試驗(yàn)段中氣流的速度v。四、實(shí)驗(yàn)步驟（1）連接并檢查所有線路和設(shè)備，合上背板上的空氣開關(guān)，打開電源、儀表開關(guān)。此時(shí)交流供電開關(guān)應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)！打開實(shí)驗(yàn)臺(tái)右側(cè)的變頻器開關(guān)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率到50Hz即最大風(fēng)量觀察畢托管測(cè)定風(fēng)壓值。 （2）打開大功率直流電源，將電流（壓）調(diào)節(jié)旋鈕旋至輸出電

11、流為20-25A。（注意：穩(wěn)壓電源提供的是恒流源。對(duì)試件的加熱量主要看供給的電流大小，儀表會(huì)同時(shí)顯示其輸出電壓值。）穩(wěn)定后即可測(cè)量各有關(guān)數(shù)據(jù)。（3）保持加熱功率不變，風(fēng)機(jī)頻率減小，穩(wěn)定后又可測(cè)到一組數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)對(duì)每一種直徑的管子，空氣流速可調(diào)整8個(gè)工況。加熱電流（壓）保持不變，亦可根據(jù)管子直徑及風(fēng)速大小適當(dāng)調(diào)整，保持管壁與空氣中有適當(dāng)?shù)臏夭?。每調(diào)整一個(gè)工況，須待壓力表，熱電偶讀數(shù)等穩(wěn)定后方能測(cè)量各有關(guān)數(shù)據(jù)。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算與整理試驗(yàn)用二根不銹鋼管： 直徑D=4.0mm和6.3mm范圍，管長(zhǎng)為200 mm，測(cè)壓點(diǎn)ab間距約100mm1. 空氣的來流速度 根據(jù)伯努力方程，畢托管所測(cè)得的氣流動(dòng)壓(

12、N/m2)與氣流速度(m/s)的關(guān)系： (Pa) (2-5) (m/s) (2-6)式中為空氣的密度（kg/m3)，由空氣溫度查表確定。2、管壁溫度tw由銅-康銅熱電偶測(cè)得, 試驗(yàn)管為有內(nèi)熱源的圓筒形壁，且內(nèi)壁絕熱，因此，內(nèi)壁溫度 t1大于外壁溫度tw。由于所用管壁很薄，僅0.2-0.3mm，且空氣對(duì)外管的換熱系數(shù)較小，可足夠確認(rèn)的認(rèn)為tw= t1。、試驗(yàn)管工作段ab間的發(fā)熱量Q Q = IU W (2-7) 、空氣流過管外壁時(shí)的平均換熱系數(shù) W/(m2 ) (2-8) 其中：A-電壓測(cè)點(diǎn)ab間試驗(yàn)管的外表面積 . 換熱準(zhǔn)則方程式根據(jù)每一實(shí)驗(yàn)工況所測(cè)得的數(shù)值可計(jì)算出相應(yīng)的值及Re值，和Re之間

13、的關(guān)系可近似表示為一指數(shù)方程的形式： (2-9)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，以為縱軸，Re為橫軸，將各工況點(diǎn)描出，它們的規(guī)律可近似地用一直線表示，即： (2-10)其中 如用 ，上式則可表示為： (2-11) 根據(jù)最小二乘法原理，系數(shù)及可按下式計(jì)算： (2-12) (2-13)式中：實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)目；在計(jì)算及Re時(shí)所用的空氣導(dǎo)熱系數(shù)、運(yùn)動(dòng)粘度，可根據(jù)壁面與流體的平均溫度作為作為定性溫度查表。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上描繪出各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，并用最小二乘法求出強(qiáng)迫對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程式；2. 將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有關(guān)參考書給出的空氣橫掠單管時(shí)換熱的準(zhǔn)則方程式和曲線圖進(jìn)行比較；3. 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與討論。七 思考題 1結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析對(duì)流換熱系數(shù)和風(fēng)速的關(guān)系。 測(cè)試得到的準(zhǔn)則方程式誤差產(chǎn)生的原因。 八、注意事項(xiàng)1、首先了解試驗(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、為確保管壁溫度不至超出允許的范圍，啟動(dòng)及工況改變時(shí)都必須注意操作順序。啟動(dòng)電源之前，先將電源調(diào)節(jié)旋鈕轉(zhuǎn)至零位：3、啟動(dòng)時(shí)必須先開風(fēng)機(jī)，調(diào)整風(fēng)速，然后對(duì)試驗(yàn)管通電加熱，并調(diào)整到要求的工況。注意電流表上的讀數(shù)，不允許超出工作電流參考值。試驗(yàn)完畢時(shí)，必須先關(guān)加熱電源，待試件冷卻后，再關(guān)風(fēng)機(jī)。、電流極限值27安 加熱管壁溫不能超過100，皮托管壓差不能小于25kPa工 況試件壁溫tw（）空