傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書姓名：學(xué)號(hào)：專業(yè)班級(jí)：環(huán)境與能源工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心熱電偶的制作與標(biāo)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握鎳鉻康銅熱電偶制作方法；2、掌握熱電偶的標(biāo)定方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理1、焊接設(shè)備：熱電偶點(diǎn)焊機(jī)；2、標(biāo)定設(shè)備：熱電偶校驗(yàn)儀；3、其他設(shè)備：墨鏡、鉗子、剪刀、細(xì)砂紙、米尺等；4、熱電偶絲：0.2、0.5熱電偶用康銅線、鎳鉻絲線。熱電偶是工業(yè)上最常用的一種測(cè)溫元件，它是由兩種不同的導(dǎo)體絲A和B，焊接組成一個(gè)閉合回路而構(gòu)成的。其測(cè)溫原理是基于1821年塞貝克發(fā)現(xiàn)的熱電現(xiàn)象，當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B連接在一起構(gòu)成一個(gè)閉合回路，此時(shí)如果兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同時(shí)（如ttO），那么在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，如圖1

2、所示。也就是說，熱電偶是通過測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的。圖1 電熱偶原理圖A、B稱為熱偶絲，也稱熱電極。當(dāng)兩接點(diǎn)處于不同溫度時(shí)回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，放置在被測(cè)溫度為t的介質(zhì)中的接頭，稱為測(cè)量端（工作端）；另一接頭t0成為參考端（或自由端）。常用的賤金屬熱電偶材料有：銅-康銅 （T型） （常用于-200到+400測(cè)溫）鎳鉻-康銅（E型） （常用于-200到+900測(cè)溫）鎳鉻-鎳硅或鎳鋁（K型） （常用于0到+1300測(cè)溫）本實(shí)驗(yàn)采用鎳鉻-康銅（E型）熱電偶。使用時(shí)應(yīng)根據(jù)測(cè)溫范圍和工作條件選擇偶絲材料和線徑。熱電偶長度應(yīng)根據(jù)工作端在介質(zhì)中的插入深度來決定，通常為3502000毫米。三、實(shí)驗(yàn)步驟熱電偶

3、的制作熱電偶測(cè)量端的焊接方法采用電弧焊，該方法是利用高溫電弧將熱電偶測(cè)量端熔化成球狀。常用的有交流電弧焊和直流電弧焊兩種。交流電弧焊的裝置如圖2所示，這種專職一般用來焊接賤金屬熱電偶。圖2 交流電弧焊裝置制作步驟如下：1、焊接前仔細(xì)去掉熱偶絲靠近待焊端部的絕緣層，然后將這兩根被焊的熱電極絞成如圖3的麻花狀或兩頂端并齊。圖3 熱電極處理2、調(diào)節(jié)變壓器使輸出電壓為24-30伏的交流電源作為焊接電源。3、戴上墨鏡和手套，用金屬夾子（銅板電極）夾住待焊端作為一個(gè)電極，用炭棒（石墨電極）作為另一個(gè)電極，當(dāng)炭棒與被焊熱電偶絲頂端接近時(shí)，產(chǎn)生的瞬間電弧將兩根熱偶頂部熔接在一起而形成一個(gè)小圓球，用砂紙將小圓球

4、表面打磨光滑。注意：制作合格的熱電偶標(biāo)準(zhǔn)是，焊接牢固，具有金屬光澤結(jié)點(diǎn)表面圓滑，無玷污變質(zhì)和裂紋，焊點(diǎn)直徑約為偶絲直徑的兩倍，電極不允許有折損、扭曲現(xiàn)象。熱電偶的標(biāo)定本實(shí)驗(yàn)標(biāo)定方法采用比較法標(biāo)定，裝置控制面板如圖示。標(biāo)定步驟如下：1、將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶接在面板的標(biāo)準(zhǔn)接線柱上，待測(cè)熱電偶接在待測(cè)接線柱上。2、檢查儀表箱前面板上各開關(guān)的初始狀態(tài)。把電源開關(guān)扳向下方斷電狀態(tài)，恒溫調(diào)節(jié)器旋鈕至左方，溫度調(diào)節(jié)儀表上的檢控溫度設(shè)在150。3、調(diào)節(jié)恒溫右旋(恒溫調(diào)節(jié)加熱電壓調(diào)節(jié))鈕，管爐供電，并在指示儀表上指出。該旋鈕的調(diào)壓范圍為0220V。注意：對(duì)爐體的預(yù)熱升溫和初始升溫應(yīng)不超過40V，以利用爐體的使用壽命?？?/p>

5、根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求的恒溫溫度進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié)，直至穩(wěn)定在需要的溫度上。絕對(duì)穩(wěn)定是不易控制的，可在基本穩(wěn)定的條件下快速測(cè)定。4、檢測(cè)在溫度基本穩(wěn)定的條件下，取等時(shí)間間隔，按照標(biāo)準(zhǔn)被檢1被檢2，被檢2被檢1標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)次序讀數(shù)。要求循環(huán)測(cè)讀兩次，每個(gè)電偶讀得四次讀數(shù)。將測(cè)得的數(shù)據(jù)記錄在記錄表中。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理標(biāo)定記錄表：循環(huán)次序標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)1檢驗(yàn)2標(biāo)準(zhǔn)被檢1被檢2被檢2被檢1標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)被檢1被檢2被檢2被檢1標(biāo)準(zhǔn)平均值首先計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)電偶和待檢電偶的算術(shù)平均值，如果待檢電偶的算術(shù)平均值與算標(biāo)準(zhǔn)電偶的算術(shù)平均值的誤差在2.5之內(nèi)，則可認(rèn)為合格。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、說明熱電偶的測(cè)溫原理；2、簡述本次實(shí)驗(yàn)熱電偶的制作

6、與標(biāo)定方法；3、處理實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，判斷自己制作的熱電偶是否合格，若不合格，分析其原因?？諝鈾M掠單圓管表面時(shí)的放熱實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、測(cè)定空氣橫向流過單圓管表面時(shí)的放熱系數(shù)。2、根據(jù)對(duì)受迫運(yùn)動(dòng)放熱過程的相似分析，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成準(zhǔn)則方程式。3、通過相似原理的實(shí)際應(yīng)用，加深對(duì)相似原理的了解。4、學(xué)習(xí)用熱電偶測(cè)量溫度用電壓電流測(cè)量功率及用比托管測(cè)流量的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)牛頓公式物體表面對(duì)流放熱量Qc 可用下列計(jì)算： w （1）式中：tw圓管表面平均溫度；tf實(shí)驗(yàn)段前后流體的平均溫度；F圓管表面積m2，；d、l分別為圓管的直徑和長度；對(duì)流放熱系數(shù)；w/m2·因此： w/m2·

7、; （2）根據(jù)相似理論，強(qiáng)迫流動(dòng)時(shí)放熱現(xiàn)象的準(zhǔn)則方程式為：根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究可知，流體橫向流過單圓管表面時(shí)，一般可將準(zhǔn)則方程式整理成下列形式： （3）上式中定性溫度為流體平均溫度tf，定型尺寸為管子直徑、流速采用流體過圓管時(shí)最窄處的流速。是考慮熱流方向而附加的修正項(xiàng)。對(duì)于空氣Pr常數(shù)，故準(zhǔn)則方程式為： （4）式中常數(shù)C'和n可由本實(shí)驗(yàn)確定。本實(shí)驗(yàn)是在空氣被加熱的情況下進(jìn)行的。圓管內(nèi)加熱器所產(chǎn)生的熱量Q是以對(duì)流換熱Qc 和輻射QR方式傳出的。因此： 圓管表面的輻射放熱量QR可由下式計(jì)算： W （5）式中：為圓管表面黑度， =0.22 ；cb絕對(duì)黑體的輻射系數(shù), cb=5.67 w/m2

8、3;k4 ；Tw、Tf分別為圓管表面和流體的平均絕對(duì)溫度，K。由以上分析可知，實(shí)驗(yàn)的中心問題是必須測(cè)量以下幾個(gè)物理量：圓管放熱量Q；管壁溫度tw；流體溫度tf；管子直徑d，管子長度l和空氣流速u。三、實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，實(shí)驗(yàn)裝置主要由一簡單的風(fēng)洞和量熱器組成。風(fēng)洞是用有機(jī)玻璃制成的正方形流道尺寸為a×b(mm)。為了避免渦流的影響，風(fēng)道內(nèi)表面持光滑。當(dāng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，室內(nèi)空氣經(jīng)過吸入口2被吸入風(fēng)洞內(nèi)。吸入口做成雙曲線形以保證進(jìn)出口氣流平穩(wěn)并減少損失，并且使進(jìn)口處氣流速度分布均勻。在吸入口后連接入口段和工作段。在工作段中有被研究的圓管（同時(shí)也是量熱器）、加熱前流體的測(cè)溫?zé)犭娕?、加熱后流體的測(cè)溫

9、熱電偶。在工作段之后有一支測(cè)量流速的畢托管、插板閥、引風(fēng)機(jī)。插板閥用以調(diào)節(jié)流量。為減少風(fēng)機(jī)振動(dòng)對(duì)風(fēng)洞內(nèi)的速度場(chǎng)的影響，工作段之后的風(fēng)道用亞麻布軟管與風(fēng)機(jī)相接。風(fēng)洞內(nèi)畢托管與差壓變送器相連接后可用來測(cè)量流速。工作段前后的空氣溫度，即tf1、tf2，用熱電偶來測(cè)量。圖1 .單圓管表面橫向強(qiáng)迫對(duì)流放熱實(shí)驗(yàn)裝置示意圖1.風(fēng)機(jī)固定架 2.風(fēng)機(jī) 3.風(fēng)量調(diào)節(jié)手輪 4.過渡段 5.比托管 6.測(cè)速段 7. 過渡段8.tf1測(cè)溫段 9.測(cè)試管段 10. tfa測(cè)溫段 11.整流進(jìn)風(fēng)口 12.支架 13.儀表箱圖2 量熱器簡圖1.電源線 2.壓緊螺母 3.保護(hù)蓋 4.固定板 5.絕熱層6. 絕熱層 7.銅管 8

10、.絕緣層 9.加熱器量熱器用銅管做成，如圖2。管內(nèi)有電加熱器，用交流電加熱。電熱器所消耗的功率即是圓管表面所放出的熱量。圓管表面溫度tw用焊在管壁上的四對(duì)熱電偶測(cè)量。電路及測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示：圖3 電路及測(cè)量系統(tǒng)示意圖1.調(diào)壓器 2. 量熱器 3. 加熱器 4.測(cè)氣體溫度熱電偶 5. 測(cè)銅管表面溫度熱電偶6. 加熱管剖面 7. 差壓傳感器 8.巡檢儀 9. 比托管 10. 差壓傳感器四、實(shí)驗(yàn)步驟在熟悉實(shí)驗(yàn)裝置后可把線路接好，調(diào)整好測(cè)量儀表，經(jīng)教師檢查許可后方可開始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟如下：1、先關(guān)閉插板閥，再合上風(fēng)機(jī)馬達(dá)的電源，使用風(fēng)機(jī)在空載下起動(dòng)，然后根據(jù)需要開啟插板閥，以調(diào)節(jié)風(fēng)量。2、合上電加熱

11、器電源，調(diào)節(jié)輸出電壓（不能超過150伏）在某一定工況下加熱。3、加熱約15分鐘后觀察各熱電偶的電勢(shì)直到穩(wěn)定為止，（壁面溫度在3分鐘內(nèi)保持讀數(shù)不變即認(rèn)為到穩(wěn)定）然后用數(shù)字巡檢儀測(cè)量各點(diǎn)溫度值和壓差值。4、保持加熱器功率不變，調(diào)節(jié)插板閥改變風(fēng)量至另一數(shù)值重復(fù)步驟3。5、實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）正確調(diào)整使用比托管；（2）必須待風(fēng)機(jī)起動(dòng)后再合上加熱器電源而實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)應(yīng)先停止加熱再停風(fēng)機(jī)。（3）實(shí)驗(yàn)完畢應(yīng)經(jīng)教師檢查同意后方可離去。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄由前分析可知，實(shí)驗(yàn)必須測(cè)量計(jì)算以下幾個(gè)物理量：流體溫度tf，管壁溫度tw，空氣流速u和圓管放熱量Q。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表如下：序號(hào)tw tf2比托管處溫度銅管前后

12、壓差Pa比托管壓差Pa環(huán)境溫度電壓V電流A12341234六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理1、平均放熱系數(shù)計(jì)算： w/m2· （6）式中：Q電加熱器所消耗的功率（W）Q=IU；U加熱器中的電壓降，（V）；I加熱器中的電流強(qiáng)度，（A）；d及l(fā)圓管的直徑及長度，(m)；本實(shí)驗(yàn)臺(tái)，d = 0.032 m， l =0.45 m； QR輻射放熱量，按式（5）計(jì)算。tw管壁的平均溫度（用每一對(duì)熱電偶所對(duì)應(yīng)溫度的平均值）。tf流體的平均溫度.2、努謝爾特準(zhǔn)則和雷諾準(zhǔn)則計(jì)算： （7） （8）式中：為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·K)；為空氣運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；，d，u同上。其中流速u為風(fēng)洞工作段截面上的平均流速

13、（即流體過圓管時(shí)最窄截面處的流速）。計(jì)算方法如下：（1）計(jì)算畢托管所在處流體的流速，通過差壓變送器測(cè)量出其動(dòng)壓頭然后用下式進(jìn)行計(jì)算： m/s （9）w流體通過比托管時(shí)比托管所在處流體的流速m/s。 畢托管修正系數(shù)，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)比托管為1.37。P比托管所在處風(fēng)洞截面上測(cè)點(diǎn)動(dòng)壓頭，單位Pa?？諝饷芏?。（2）根據(jù)連續(xù)性方程計(jì)算最窄截面處的速度u，公式如下： （10）比托管所在截面及面積，= 0.0531 m2 ； Fb圓管所在最窄截面處的面積，F(xiàn)b = 0.012 m2。3、準(zhǔn)則方程式的整理：本實(shí)驗(yàn)在不同工況下測(cè)量以上數(shù)值，得到四組數(shù)據(jù)。計(jì)算后計(jì)算后就有四組Ref值與Nuf值，表示在對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上（如圖

14、4）就有四個(gè)點(diǎn)。這里用Y表示lgNuf，用X表示lgRef，每一對(duì)Ref及Nuf的值可以在圖上確定一點(diǎn)，將這些點(diǎn)連成一條直線，此直線的方程可以表示為：。AYX。即： 式中， 為直線和橫坐標(biāo)之間夾角的正切。圖4. 確定參數(shù)之間關(guān)系的解法用最小二乘法求得A和n，也就得到了c'和n，最終整理出準(zhǔn)則方程式。準(zhǔn)則方程式的詳細(xì)數(shù)據(jù)整理方法見教材P139。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、計(jì)算及整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，作圖并求出準(zhǔn)則方程式。2、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論。中溫輻射時(shí)物體黑度的測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠帽容^法，定性地測(cè)量中溫輻射時(shí)物體黑度。二、實(shí)驗(yàn)原理由n個(gè)物體組成的輻射換熱系統(tǒng)中，利用凈輻射法，可以求物體I的純換熱量Q

15、net.i (1)式中： Qnet.ii面的凈輻射換熱量。 i i面的黑度。Qabs.ii面從其他表面的吸熱量。 Eb.ii面的輻射力。 Qe.i i面本身的輻射熱量。 i面的吸收率。 i(dk)k面對(duì)i面的角系數(shù)。 Fii面的面積。 Eeff.kk面有效的輻射力。如圖1，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的設(shè)備情況，可以認(rèn)為傳導(dǎo)圓筒2為黑體。熱源1、傳導(dǎo)圓筒2和待測(cè)物體（受體）3它們表面上的溫度均勻（圖1）。圖1 輻射換熱簡圖1熱源 2傳導(dǎo)圓筒 3待測(cè)物體因此，公式（1）可寫成：Qnet.3=3(Eb.1 F11.3+ Eb.2 F22.3)-3Eb.3 F3因?yàn)镕1= F3；3=3；3.2=1.2 。又根據(jù)角系數(shù)

16、的互換性F22.3= F33.2 ，則： q3=Qnet.3/F3=3(Eb.11.3+ Eb.21.2)3Eb.3= 3(Eb.11.3+ Eb.21.2Eb.3) （2）由于受3與環(huán)境主要以自然對(duì)流方程換熱，因此： q3=(t3tf) （3）式中：換熱系數(shù)t3待測(cè)物體（受體）溫度tf環(huán)境溫度由（2）、（3）式得： （4）當(dāng)熱源1和黑體圓筒2的表面溫度一致時(shí)，Eb1=Eb2 ，并考慮到，體系1，2，3為封閉系統(tǒng)，則： 1.3+1.2=1由此，（4）式可寫成： （5）式中稱為斯蒂芬玻爾茨曼常數(shù)，其值為5.7×10-8w/m2k4。對(duì)不同待測(cè)物體（受體）a和b，應(yīng)用公式（5）其黑度為：

17、并且認(rèn)為其對(duì)流換熱系數(shù)相等，即a=b=,則： （6）當(dāng)b為黑體時(shí)，b1，（6）式可寫成： （7）三、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置簡圖如圖2所示：圖2 實(shí)驗(yàn)裝置簡圖1、調(diào)壓器 2、測(cè)溫轉(zhuǎn)換開關(guān) 3、數(shù)顯溫度計(jì) 4、接線柱 5、導(dǎo)軌 6、熱源 7、傳導(dǎo)體 8、受體 9、導(dǎo)軌支架 10、熱源電壓表 11、接線柱 12、測(cè)溫接線柱（紅為+） 13、電源開關(guān)熱源腔體有一個(gè)測(cè)溫電偶，傳導(dǎo)腔體有二個(gè)熱電偶，受體有一個(gè)熱電偶，它們都可過琴鍵轉(zhuǎn)換開關(guān)來切換測(cè)讀。四、實(shí)驗(yàn)方法和步驟本實(shí)驗(yàn)儀器用比較法定性地測(cè)定物體的黑度，具體方法是通過對(duì)三組加熱器電壓的調(diào)整（熱源一組，傳導(dǎo)體二組），使熱源和傳導(dǎo)體的測(cè)量點(diǎn)恒定在同一溫度上，然后

18、分別將“待測(cè)”（受體為待測(cè)物體，具有原來的表面狀態(tài)）和“黑體”（受體仍為待測(cè)物體，但表面薰黑）兩種狀態(tài)的受體在恒溫條件下，測(cè)出受到輻射后的溫度，就可按公式計(jì)算出待測(cè)物體的黑度。具體步驟如下：1、熱源腔體和受體腔體（使用具有原來表面狀態(tài)的物體作為受體）靠緊傳導(dǎo)體。2、用導(dǎo)線將儀器上的測(cè)溫接線柱12與電位差計(jì)（用戶自備）上的“未知”接線柱“+”“-”極連接好。按電位差計(jì)使用方法進(jìn)行調(diào)零、校準(zhǔn)并選好量程（×1）。3、結(jié)通電源，調(diào)整熱源、傳導(dǎo)左、傳導(dǎo)右的調(diào)溫旋鈕，使其相應(yīng)的電壓表指針調(diào)至紅點(diǎn)位置。受熱約40分鐘左右，通過測(cè)溫轉(zhuǎn)換開關(guān)測(cè)試熱源、傳導(dǎo)左、傳導(dǎo)右的溫度，并根據(jù)測(cè)得的溫度微調(diào)相應(yīng)的電壓旋鈕，使三點(diǎn)溫度盡量一致。4、系統(tǒng)進(jìn)入恒溫后（各測(cè)溫點(diǎn)基本接近，且在五分鐘內(nèi)各點(diǎn)溫度波動(dòng)小于3），開始測(cè)試受體溫度，當(dāng)受體溫度五分鐘內(nèi)的變化小于3時(shí)，計(jì)下一組數(shù)據(jù)?！按郎y(cè)”受體實(shí)驗(yàn)結(jié)束。5、取下受體，將受體冷卻后，用松脂（帶有松脂的松木）或蠟燭將受體熏黑，然后重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，測(cè)得第二組數(shù)據(jù)。將兩組數(shù)據(jù)代入公式即可得出代測(cè)物體的黑度受。注意事項(xiàng)：1、熱源及傳導(dǎo)的溫度不宜超過200。2、每次做原始狀態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，建議用汽油或酒精將代測(cè)物體表面擦凈，否則，試驗(yàn)結(jié)