傳熱學實驗報告

傳熱學實驗報告?zhèn)鳠釋W實驗報告班級：安全工程（單）0901姓名：學號：01第一節(jié)穩(wěn)態(tài)平板法測定絕熱材料導熱系數(shù)實驗一、實驗目的鞏固和深化穩(wěn)定導熱過程的基本理論，學習用平板法測定絕熱材料導熱系數(shù)的試驗方法和技能。測定試驗材料的導熱系數(shù)。確定試驗材料導熱系數(shù)與溫度的關系。二、實驗原理導熱系數(shù)是表征材料導熱能力的物理量。對于不同的材料，導熱系數(shù)是各不相同的，對同一材料，導熱系數(shù)還會隨著溫度、壓力、濕度、物質(zhì)的結構和重度等因素而變異。各種材料的導熱系數(shù)都用試驗方法來測定，如果要分別考慮不同因素的影響，就需要針對各種因素加以試驗，往往不能只在一種實驗設備上進行。穩(wěn)態(tài)平板法是一種應用一維穩(wěn)態(tài)導熱過程的基本原理來測定材料導熱系數(shù)的方法，可以用來進行導熱系數(shù)的測定試驗，測定材料的導熱系數(shù)及其和溫度的關系。實驗設備是根據(jù)在一維穩(wěn)態(tài)情況下通過平板的到熱量Q和平板兩面的溫差At成正比，和平板的厚度h成反比，以及和導熱系數(shù)九成反比的關系來設計的。我們知道，通過薄壁平板（壁厚小于十分之一壁長和壁寬）的穩(wěn)定導熱量為：九Q=_*At*S （1）h其中：Q為傳到平板的熱量，w；九為導熱系數(shù)，w/m°C；h為平板厚度，m；At為平板兩面溫差，C；S為平板表面積；m2；測試時，如果將平板兩面溫差At、平板厚度h、垂直熱流力向的導熱面積S和通過平板的熱流量Q測定后，就可以根據(jù)下式得出導熱系數(shù)：2）.Q*h2）人=At*S其中：At=|T-T，Tu為平板上測溫度，Td為平板下側溫度，C；ud u d這里，公式2所得出的導熱系數(shù)是在當時的平均溫度下材料的導熱系數(shù)值，此平均溫度為：t=1（T2ud在不同的溫度和溫差條件下測出相應的九值，然后按九值標在九-1坐標圖內(nèi)，就可以得出九二f￡）的關系曲線。三、實驗裝置及測試儀器穩(wěn)態(tài)平板法測定絕熱材料的導熱系數(shù)的電器連接圖和實驗裝置如圖1和圖2所示。被試驗材料做成兩塊方形薄壁平板試件，面積為300*300［mm2］，實際導熱計算面積S為200*200［mm2］，平板厚度h［mm］。平板試件分別被夾緊在加熱器的上下熱面和上下水套冷面之間。加熱器的上下面、水套與試件的接觸面都設有銅板，以使溫度均勻。利用薄膜式加熱片實現(xiàn)對上、下試件熱面的加熱，而上下導熱面積水套的冷卻面是通過循環(huán)冷卻水（或通以自來水）來實現(xiàn)。在中間200*200mm2部位上安設的加熱器為主加熱器。為了使住加熱器的熱量能夠全部單項通過上下兩個試件，并通過水套的冷水帶走，在主加熱器四周（即200*200mm2之外的四側）設有四個輔助加熱器（1、2、3、4），利用專用的溫度跟蹤控制器使主加熱器以外的四周保持與中間主加熱器的溫度相一致，以免熱流量向旁側散失。主加熱器的中心溫度th和水套冷面的中心溫度tc用四個熱電偶來測量，輔助加熱器1和輔助加熱器1的熱面也分別設置兩個輔熱電偶t2和t6（埋設在銅板相應位置上），其中一個輔熱電偶t2（或t6）接到溫度跟蹤控制器上，與主加熱器中心接來的主熱電偶t：的溫度信號相比較，通過跟蹤器使全部輔加熱器都跟蹤到與主加熱器的溫度相一致。而在試驗進行時，可以通過熱電偶t（或t：）和熱電偶t3（或t4）測量出一個試件的兩個表面的中心溫度。也可以再測量一個輔熱電偶的溫度，以便與主熱電偶的溫度相比較，從而了解主、輔加熱器的控制和跟蹤情況，溫度是利用儀器直接讀取數(shù)值。主加熱器的電功率可以用電功率表或電壓表和電流表來測量。［附］實驗臺主要參數(shù)試驗材料：試件外型尺寸：300*300mm2導熱計算面積F：200*200mm2（即主加熱器的面積）

試件厚度h： mm（實測）主加熱器電阻值： Q輔加熱器（每個）電阻值：Q加熱偶材料：鎳鉻—鎳硅8?試件最高加熱溫度：80°C8?試件最高加熱溫度：80°CtA加熱轄3 輔加粗辭1嬸加熱壽4軸加熾齡2圖圖1試驗臺的電氣連接圖掙卻水址出口圖2試驗臺主題示意圖（1）

:冷卻水進出口（上）匚下水窘熱電假t3主協(xié)電偶（下）勺上水套熱電偶4*刪嘶2:冷卻水進出口（上）匚下水窘熱電假t3主協(xié)電偶（下）勺上水套熱電偶4*刪嘶2鞠加熱器3百斤YY輛加熱器1轆熱電偶《cmz主鵝電?（±）it_沖水進出口（下亍G<軌抑軸淤4<主加熱棵上一一0t2圖2試驗臺主題示意圖（2）四、實驗方法和步驟將兩個平板試件仔細地安裝在主加熱器的上下面，試件表面應與銅板嚴密接觸，不應有空隙存在。在試件、加熱器和水套等安裝入位后，應在上面加壓一定的重物，以使它們都能緊密接觸。聯(lián)接和仔細檢查各接線電路。將主加熱器的兩個接線端用導線接至主加熱器電源；而四個輔助加熱器經(jīng)兩兩并聯(lián)后再串聯(lián)成串聯(lián)電路（實驗臺上已聯(lián)接好），并按圖3—2所示聯(lián)接到輔助加熱器電源和跟蹤控制器上。電壓表和電流表（或電功率表）應按要求接入電路。將主加熱電偶之一t1（或t5）接到跟蹤控制器面板上左側的主熱電偶接線柱上，而將輔助電偶之一t2（或t6）接到跟蹤控制器上的相應接線柱上。把主熱電偶t5（或J）和輔加熱電偶t2（或t6）都接到穩(wěn)態(tài)平板法測定絕熱材料導熱系數(shù)儀上。檢查冷卻水水泵及其通路能否正常工作，各熱電偶是否正常完好，檢查穩(wěn)態(tài)平板法測定絕熱材料導熱系數(shù)儀是否連接好。接通加熱器電源，并調(diào)節(jié)到合適的電壓，開始加溫，同時開啟溫度跟蹤控制器。在加熱過程中，可通過各測溫點的測量控制盒了解加熱情況。開始時，可先不啟動冷水泵，待試件的熱面溫度達到一定水平后，再啟動水泵（或接通自來水），向上下水套通入冷卻水。試驗經(jīng)過一段時間后，試件的熱面溫度和冷面溫度開始趨于穩(wěn)定。在這過程中可以適當調(diào)節(jié)主加熱器電源、輔加熱器電源的電壓，使其更快或更利于達到穩(wěn)定狀態(tài)。待溫度基本穩(wěn)定后，就可以每隔一段時間進行一次電功率W（或電壓V和電流I）讀書記錄和溫度測量，從而得到穩(wěn)定的測試效果。各工況試驗后，可以將設備調(diào)到另一工況，即調(diào)節(jié)主加熱器功率后，再按上述方法進行測試，得到另一工況的穩(wěn)定測試結果，調(diào)節(jié)的電功率不宜過大，一般在5~10W為宜。根據(jù)試驗要求，進行多次工況的測試。（工況以從低溫到高溫為宜）。測試結束后，先切斷加熱器電源，并關閉跟蹤器，經(jīng)過10分鐘左右后再關閉水泵（或停放自來水）。五、實驗結果處理實驗數(shù)據(jù)取試驗進入穩(wěn)定狀態(tài)后的連續(xù)三次穩(wěn)定結果的平均值。導熱量（即主加熱器的電功率）：Q=W（或I*V） [w] （4）式中W—主加熱器電功率值，w；I—主加熱器的電流值，A；V—主加熱器的電壓值，V。由于設備為雙試件型，導熱量向上下兩個試件（試件1和試件2）傳到，所以TOC\o"1-5"\h\zQ=Q=Q=W（或11V） W112222 W試件兩面的溫差：\o"CurrentDocument"At=t-1 fc]RL （5）式中 tg—試件的熱面溫度（即\或12），°C;tg—試件的冷面溫度（即13或t4），°C。

平均溫度為t=平均溫度為t=2°R+tL)Ec]平均溫度為t時的導熱系數(shù):w52(t—t)FRL將不同平均溫度下測定的材料導熱系數(shù)繪成w52(t—t)FRL將不同平均溫度下測定的材料導熱系數(shù)繪成九、(或2(tR-ti)卩)Ew/mC]九-ff)關系曲線，并求出-ft的關系式。導熱系數(shù)測定記錄表序號主加熱器熱面溫度tR(C)冷面溫度tL(C)備注電流丨(mA)電壓V(V)功率N(W)1211922141325六：數(shù)據(jù)處理:序號主加熱器熱面溫度tR(C)冷面溫度tL(C)平均溫度(C)導熱系數(shù)(w/電流丨(mA)電壓V(V)功率N(W)1211922141325第二節(jié)空氣沿橫管表面自由運動放熱實驗一、實驗目的和要求1?了解空氣沿橫管表面自由運動放熱的實驗方法，鞏固課堂上學過的知識；2?測定單管的自由運動放熱系數(shù)A3?根據(jù)對自由運動放熱相似分析，整理出準則方程式。二、實驗原理實驗裝置如圖3-3所示。主要由試驗管、熱電偶、電位差計、自耦變壓器、瓦特表等組成，實驗裝置提供四根不同直徑、不同長度的試驗管，試驗管的結構如圖3—4所示。四根不同直徑的試驗管分別水平地懸掛在兩幅可升降的支架上，試驗管中間裝有電熱加熱，其電源線在管的兩端引出，可以通過自耦變壓器以給定電壓使試驗管加熱，其加熱功率W用瓦特表測定，每個試驗管上有4個熱電偶嵌入管壁，反映管壁溫度的熱電勢，用電位差計來測定。自耦變壓器 瓦特表 穩(wěn)態(tài)平板法測定絕熱材料導熱系數(shù)儀圖1實驗裝置示意圖

圖2試驗管結構示意圖圖2試驗管結構示意圖1-電源引出線；2-電源引出孔；3-聚苯乙烯泡沫；4-絕熱材料；5-電加熱器試驗時，對試驗管進行加熱，熱量是以對流和輻射兩種方式散發(fā)的，對流換熱量為總熱量與輻射換熱量之差，即即Qc二Q-QQc’F(tw-tf)/T/T、——1100丿/T、—1100丿所以/T、——1100丿式中F—表面積，m2；w；Q—總熱量，ww；Q—輻射換熱量，W；W；Q—對流換熱量，c￡—試管表面黑度；C—黑體的輻射系數(shù)(5.669w/m2k)；0t—管壁平均溫度，°C；wt—室內(nèi)空氣溫度，C；a一自由運動放熱系數(shù)。N G P根據(jù)相似理論，對于自由對流放熱，怒謝爾系數(shù)U格拉曉夫數(shù)r朗特數(shù)Pr的函數(shù)即:N=f(G?Purr可表示成：C(P?Gr)n，其中，C』驗確定的常數(shù)。為了確定上述關系式的具體形式，根據(jù)所測數(shù)據(jù)計算結果求出準則數(shù)ad(6)G=gAt0d3(6)rv2Pr、九、b、V等物性參數(shù)由定性溫度從有關書中查出。NG改變加熱了，可求得一組準則數(shù)，把幾組數(shù)據(jù)標在對數(shù)坐標得到以u為縱坐標、Gr、Pr為橫坐標的一系列點，換一條直線，是大多數(shù)點落在這條線上或周圍。根據(jù)lgNu二lgC+nlg使這條曲線的斜率即為n,截距為Co三、實驗裝置及測量儀表實驗裝置由四根不同直徑、不同長度的試驗管組成，測量儀表有穩(wěn)態(tài)平板法測定絕熱材料導熱系數(shù)儀、TDGC型接觸式調(diào)壓器、瓦特表、電流表、電壓表。試驗管上有熱電偶嵌入管壁，可反映管壁的熱電勢，電位差計用于測量室內(nèi)和管壁熱電勢；穩(wěn)壓器可穩(wěn)定輸入電壓，使加熱管的熱量保持一定；電壓、電流表測定電加熱器的電壓與電流。四、 實驗步驟按電路圖接好線路，經(jīng)老師指導檢查無誤后接通電源；調(diào)整調(diào)壓器對試驗管進行加熱；穩(wěn)定六小時后開始測管壁溫度，記錄數(shù)據(jù)；每隔30分鐘記錄一次，直到兩組數(shù)據(jù)接近為止；取兩組接近的數(shù)據(jù)的平均值，作為計算數(shù)據(jù)；記錄溫度計表示的空氣溫度值；將調(diào)壓器調(diào)整回零位，切斷電源。五、 實驗數(shù)據(jù)的整理：1、已知數(shù)據(jù)：管徑管長黑度d=80mmd=60mmd=40mmd=20mm管徑管長黑度1234L=1800mmL=1600mmL-1400mmL=1200mm12348=0.11 &=&=&=0.151 2 3 42、測試數(shù)據(jù)：管壁溫度twn室內(nèi)空氣溫度tf電流I、電壓V空氣沿圓管表面對流換熱實驗記錄表序號溫度（°C）電加熱室溫-|"w1"I"w2電流I電壓V功率N驗數(shù)據(jù)處理計算自由放熱系數(shù)有實驗資料數(shù)據(jù)得管徑：d有實驗資料數(shù)據(jù)得管徑：d1=80mm，管長:L=1800mm 8=0.111 ，黑度：1表面積F=兀Ld=1.8x3.14x0.08=0.4521611壁面平均溫度：|T=-1:62；（序號壁面平均溫度（C）表面積（F）試管表面黑度8室溫（C）自由運動放熱系數(shù)a12522519.325T+T 1定性溫度：T= f；（C） 對于空氣體積膨脹系數(shù)：0=m2 /+273m求表達式；根據(jù)定性溫度查表（課本559頁）以及計算得；求表達式；根據(jù)定性溫度查表（課本559頁）以及計算得；T(°C)mPr九X102(W/(m?K))卩X103vx106(m2/s)NuGx10-8r第三節(jié)法向輻射率測定實驗一、 實驗目的1、 學習中溫輻射物體黑度測試儀的使用方法。2、 定性的測量中溫輻射時物體的黑度。3、 通過實驗使學生直觀地認識比較法在測量過程中的應用。二、 實驗原理又n個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Qnet.iQ=Q-Qnet.i abs.ie.i二d工JE屮（dk）dF-sEF 1i eff.k k ib.iiK=1Qne1.ine1.i—i面的凈輻射換熱量；Qabs.iabs.i—i面從其他表面的吸熱量；Qe.i—e.ii面本身的輻射熱量；e—i面的黑度；i屮（dk>—k面對i面的角系數(shù);E—k面的有效輻射力；eff.kE—i面的輻射力；b.id—i面的吸收率；iF—i面面積。i根據(jù)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。123圖1輻射換熱測試主體1-熱源；2-黑體腔體；3-待測物體（受體）因此，公式3-22可寫成：Q二a（EF屮）-sEFnet.3 3b.111..3 3b.331.2因為：Fi二F3；a3之3；?叫。又根據(jù)角系數(shù)的互換性F2￡.2二F3'1.2q二Qnet.3=s（E 屮+E屮）-sE=s（E 屮+E屮-E）3F3 b.11..3 b.21.2 3b.3 3 b.11..3 b.21.2 b.3由于受體3與環(huán)境主要以自然對流方式換熱，因此：a（t-1）3f式中：a—換熱系數(shù)；X—待測物體（受體）溫度，C；tf—環(huán)境溫度°C；由3-23、3-24公式可得：a(t-t)&— 3 f-3E屮+E屮-Eb.11..3 b.21.2 b.3當熱源1和黑體2的表面溫度一致時，Eb.1—Eb.2，并考慮到體系1、2、3為封閉系統(tǒng)則：屮13+屮1.2-1，由此，3-25公式可寫成:a(t-t)& — 3 —3E-Eb.1 b.3a‘_匚)Q(T4-T413公式中，Q為斯蒂芬-玻爾茨曼常數(shù)，其數(shù)值為*10-8w/m2k4。對不同待測物體（受體）a、b的黑度￡為:a(t-t)￡—(-3a ￡—aQT4-T4b

1a3a設，a=ab，貝9：ab-t—fT41b3b￡ t -t T4-T4——3a 4?1b 3b￡ t -t T4-T4b3b f 1a 3a當b為黑體時，￡b-1，上式可寫成:t -t T4 -T4￡ — 3a 匚? 1b 3bat-t T4-T43b f 1a 3a三、實驗裝置實驗裝置簡圖如下：圖2實驗裝置示意圖1—ffiifi!!2—黑怵統(tǒng)博；—披騙受體：#—導軌：3—鼎佯媼偉右加畫電壓表；6—墨體腔怖左加熱電壓農(nóng)；丁一電源黑體腔體右加熱電壓表；自一期薜膽壓醍紐；9-黑體腔萍左電壓捷紐：10—黒懷腔體右電壓監(jiān)珂：口一甜溟接線柱；lAfffSl轉抉開關；13—電源開關熱源腔體具有一個測溫熱電偶，傳導腔體有兩個熱電偶，受體有一個測溫熱電偶，他們都可以通過琴鍵轉換開關來切換。四、實驗方法和步驟本儀器用比較法定量地測定被測物體的黑度，具體方法是通過三組加熱器電壓的調(diào)整（熱源一組，黑體腔體二組），使熱源和黑體腔體的測溫點穩(wěn)定在同一溫度上，然后分別將“待測”（受體為待測物體，具有原來的表面狀態(tài)）和“黑體”（受體仍為待測物體，但表面熏黑）兩種狀態(tài)的受體在相同的溫度條件下，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?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）靠緊黑體腔體。2?用導線將儀器上的測溫接線柱11與電位差計上的“未知”接線柱“+”、“一”極聯(lián)結好。按電位差計使用方法進行調(diào)零、校準并選好量程（*1檔）。3?通電源，調(diào)整熱源、黑體腔體左和黑體腔體右的調(diào)溫旋鈕，使其相應的