傳熱學實驗指導書

《傳熱學》課堂實驗指導書課程中文名稱：傳熱學課程英文名稱：HeatTransfer課程編號：020060120適用專業(yè)：新能源科學與工程學時數：40學分數：2.5課程類別：專業(yè)課程實驗一：非穩(wěn)態(tài)法測試固體類材料的導熱系數和比熱實驗實驗類型：綜合型實驗學時：2實驗要求：7人/組一、實驗目的1．鞏固非穩(wěn)態(tài)導熱的基本理論，學習用非穩(wěn)態(tài)法測定非金屬固體的導熱系數和比熱的實驗方法和測試技能。2．測量絕熱材料(不良導體)的導熱系數和比熱、掌握其測試原理和方法；3．明確導熱系數隨溫度的變化關系。二、實驗內容1．用非穩(wěn)態(tài)法測定非金屬固體的導熱系數；2．測量絕熱材料(不良導體)的導熱系數和比熱；3．獲得非金屬固體材料導熱系數隨溫度的變化關系。三、儀器設備用該方法測試非金屬固體材料的導熱系數和比熱的實驗裝置如圖1所示，說明如下：圖1實驗裝置簡圖1.電箱面板2.觸摸屏3.實驗臺4.泡沫絕熱層5.加熱器6.試件(4個；自上往下分別為試件1、試件2、試件3、試件4)7.溫度傳感器(1)試件試件尺寸為120mm×120mm×δ，共四塊，尺寸完全相同，δ=10mm。每塊試件上下面要平齊，表面平整。(2)加熱器采用高電阻康銅箔平面加熱器，康銅箔厚度僅為20μm，加上保護箔的絕緣薄膜，總共只有70μm。其電阻值穩(wěn)定，在0-100℃范圍內幾乎不變。加熱器的面積和試件的端面積相同，也是120mm×120mm的正方形。兩個加熱器的電阻值應盡量相同，相差應在0.1%以內。(3)絕熱層用導熱系數比試件小的材料作絕熱層，力求減少熱量通過，使試件1.4與絕熱層的接觸面接近絕熱。這樣，可假定式（4）中的熱量qc等于加熱器發(fā)出熱量的0.5倍。(4)溫度傳感器利用溫度傳感器測量試件2兩面的溫差及試件2、3接觸面中心處的溫升速率。實驗時，將四個試件齊迭放在一起，分別在試件1和2及試件3和4之間放入加熱器1和2，試件和加熱器要對齊。圖2觸摸屏界面四、實驗原理、方法、手段和步驟1．實驗原理本實驗是根據第二類邊界條件，無限大平板的導熱問題來設計的。設平板厚度為2δ，初始溫度為t0，平板兩面受恒定的熱流密度qc均勻加熱(見圖3)。求任意瞬間沿平板厚度方向的溫度分布T(x,t)。導熱微分方程式、初始條件和第二類邊界條件如下：圖3第二類邊界條件無限大平板導熱的物理模型時,x=0處，處，方程的解為： (1.1)式中：t—時間(s)；λ—平板的導熱系數(w/(m?℃))；—平板的導溫系數(m2/s)；—n=1，2，3，……；F0—傅立葉準則；t0—初始溫度(℃)；—沿x方向從端面向平板加熱的恒定熱流密度(w/m2)。隨著時間t的延長，F0數變大，式(1.1)中級數和項愈小。當F0>0.5時，級數和項變得很小，可以忽略，式(1.1)變成： (1.2)由此可見，當F0>0.5后，平板各處溫度和時間成線性關系，溫度隨時間變化的速率是常數，并且到處相同。這種狀態(tài)稱為準穩(wěn)態(tài)。在準態(tài)時，平板中心面x=0處的溫度為：平板加熱面x=δ處為： (1.3)此兩面的溫差為：如已知qc和δ，再測出Δt，就可以由式(1.3)求出導熱系數： (1.4)實際上，無限大平板是無法實現的，實驗總是用有限尺寸的試件。一般可認為，試件的橫向尺寸為厚度的6倍以上時，兩側散熱試件中心的溫度影響可以忽略不計。試件兩端面中心處的溫度差就等于無限大平板兩端面的溫度差。根據勢平衡原理，在準穩(wěn)態(tài)時，有下列關系：式中：F為試件的橫截面(m2)；c為試件的比熱(J/kg?℃)；ρ為試件的密度(kg/m3)；為準穩(wěn)態(tài)時的溫升速率(℃/s)；由上式可得比熱：實驗時，以試件中心處為準。2．實驗方法與步驟(1)接通電源，觸摸屏界面如圖2所示。(2)通過輸入電壓給加熱器通以恒定電流，(實驗過程中，電流不允許變化)，每隔一分鐘記錄試件2兩側溫度值(熱面和冷面溫度，溫度差)，經一段時間后(隨所測材料而不同，一般在10-20分鐘)系統(tǒng)進入準穩(wěn)態(tài)。(3)第一次實驗結束，停止加熱，取下試件及加熱器，用電扇將加熱器吹涼，待其和室溫平衡后才能繼續(xù)作下一次實驗。但試件不能連續(xù)做實驗，必須經過四小時以上放置，使其冷卻至與室溫平衡后，才能再作下一次實驗。(4)實驗全部結束后，停止加熱，停止實驗，切斷電源，一切恢復原狀。五、實驗結果處理試件截面尺寸F=[m2]試件厚度δ=[m]試件材料密度ρ=[kg/m3]試件阻值R=[Ω]加熱電壓U=[V]時間（min）0123456789101112熱點溫度（℃）上熱面溫度冷面溫度下熱面溫度溫度差時間（min）13141516171819202122232425熱點溫度（℃）上熱面溫度冷面溫度下熱面溫度溫度差時間（min）26272829303132333435363738熱點溫度（℃）上熱面溫度冷面溫度下熱面溫度溫度差(1)計算熱流密度；(2)計算準穩(wěn)態(tài)時的溫差；(3)計算準穩(wěn)態(tài)時的溫升速率；(4)計算試樣的導熱系數λ[w/m?k]和比熱c[J/kg?℃]；(5)試件溫度和溫差與時間的關系曲線。六、實驗注意事項1．實驗過程中，為保持恒定的熱流密度qc，加熱器電流和電壓不能變化；2．計算材料導熱系數所需的溫差必須時系統(tǒng)進入準穩(wěn)態(tài)時的溫差；3．若實驗中途失敗，須待試件冷卻至室溫后(4小時以上)才能再次進行實驗。七、預習與思考題1．嚴格來說，本實驗是否是一維導熱，為什么？2．若實驗中去掉上、下絕熱體，對實驗結果有何影響？實驗二：空氣縱掠單管強迫對流換熱實驗實驗類型：綜合型實驗學時：2實驗要求：7人/組一、實驗目的1．了解實驗裝置，熟悉空氣流速及平板壁溫度的測量的方法，掌握測量儀器儀表的使用方法；2．測定空氣橫掠平板平均表面?zhèn)鳠嵯禂?，并將結果整理成準則關系式；3．掌握強制對流換熱實驗數據的處理及誤差分析方法。二、實驗內容1．測量強迫對流時的空氣流速和平板壁的溫度；2．學會相關測量儀器儀表的使用方法；3．測定空氣橫掠平板平均表面?zhèn)鳠嵯禂?，并將結果整理成準則關系式；4．對強迫對流換熱實驗數據進行處理和誤差分析。三、儀器設備實驗裝置簡圖如下：圖4實驗裝置簡圖1.離心風機2.畢托管3.實驗風道4.銅板5.實驗平板測溫點6.進口空氣測溫點7.整流格柵8.進口集流器9.觸摸屏10.變頻器控制面板11.漏電保護器12.不銹鋼可移動實驗臺架13.出口空氣測溫點。四、實驗原理、方法、手段和步驟1．實驗原理根據對流換熱的量綱分析,穩(wěn)態(tài)強制對流換熱規(guī)律可以用下列準則關系式來表示：經驗表明上式可以表示成下列形式： (2.1)對于空氣，當溫度變化不大時，普朗特數Pr變化很小，可以作為常數處理：故(2.1)式可表示為 (2.2)本實驗的任務就是確定和n的值。因此就需要測定Nu，Re數中所包含的各個物理量。其中d為特征尺寸，在平板中是平板長度，為已知量，物性λ、v，按定性溫度查表確定。表面?zhèn)鳠嵯禂礹(單位：W/(m2?K))不能直接測出，必須通過測加熱量，壁溫tw及流體平均溫度tf，根據(2.3)式來計算： (2.3)其中：Q為電加熱功率，A為平板外表面積。2．實驗方法和步驟(1)將皮托管與差壓傳感器連接好，開啟電源，進入系統(tǒng)界面，啟動風機，調節(jié)風機頻率使得風量為某一數值；(2)調節(jié)加熱功率為某一值，作為一個實驗工況，待壁溫達到穩(wěn)定(壁溫熱電偶的溫度在五分鐘內保持讀數不變，即可認為已達到穩(wěn)定狀態(tài))后，開始記錄熱電偶溫度、電功率、空氣進出口溫度；(3)在一定熱負荷下，通過調整風量來改變Re數的大小，因此保持加熱功率不變，改變風機頻率，測量空氣進、出口溫度以及加熱管的壁面溫度，即為不同風速下，同一負荷時的實驗數據；(4)不同熱負荷條件下的實驗，僅需改變加熱功率，重復上述實驗步驟即可；(5)實驗完畢后，先切斷實驗平板加熱電源，待平板冷卻后再關閉風機。五、實驗結果處理1．數據整理(1)空氣來流速度：空氣來流速度u用畢托管測量，根據伯努利方程，畢托管所測得的氣流動壓p與氣流速度u的關系如下：式中：ρ為空氣密度，由空氣來流溫度查表確定。所以，空氣來流速度為：[m/s](2)加熱功率：加熱功率Q可通過測量加熱的電壓降U和電流I來計算。Q=U?I(3)空氣來流溫度及平板內外表面溫度的測量：=1\*GB3①空氣來流溫度用K型熱電偶測量，t∞；=2\*GB3②確定實驗平板內壁面溫度也用K型熱電偶測量，tw；=3\*GB3③空氣離開加熱平板的溫度用K型熱電偶測量，tk。由于對流和輻射的影響，實驗中直接測量平板外壁面溫度很不準確，因此我們直接測量內壁面的溫度，通過內壁面的溫度以及加熱電壓，加熱電流和銅板的傳熱面積、導熱系數，可以計算出銅板的外壁面溫度。由于銅板為上下兩個面，在計算時要注意。本實驗中主要測量平板前后的空氣溫度以及銅板的內壁面溫度。實驗平板為一個有內熱源的上下對稱的平板，而且內壁溫度大于外壁溫度。實驗時，空氣流速可調整4-5個工況，加熱電流可根據平板的大小和厚度及風速大小適當調整，保證平板與空氣間有適當的溫差。(4)根據每次實驗工況所測數據計算整理得出相應的Nu、Re的值，連同其它組的實驗數據，在雙對數坐標紙上，以Nu為縱坐標，Re為橫坐標。將各個工況點標示出。它們的規(guī)律可以近似的用一條直線表示：則Nu、Re之間的關系可近似表示成冪函數形式：Nu=C?Ren。根據實驗數據用最小二乘法或作圖方法得出上述關聯(lián)式中的C和n的值。(5)計算定性溫度tm對于空氣橫掠平板，選擇空氣被加熱前和加熱后的平均溫度作為定性溫度。(6)Re數計算中的特征速度確定對于空氣橫掠平板，特征速度等于來流速度，即為2．數據記錄加熱電壓（V）加熱電流（A）加熱功率（W）風量（m3/h）進風溫度（℃）板內溫度1（℃）板內溫度2（℃）室內溫度（℃）出風溫度（℃）板內溫度3（℃）板內溫度4（℃）腔體溫度（℃）六、實驗注意事項1．首先了解實驗裝置的各個組成部分，并熟悉儀表的使用，以免損壞儀器；2．為確保管壁溫度不超出允許的范圍，啟動及工況改變時都必須注意操作順序。啟動電源之前，先將電源調節(jié)旋鈕轉至零