同济大学传热学实验报告

实验教学资料V3.0Date:2014-02-2531CopyrightByTongjiUniversity类别内容关键词实验教学管理、实验项目摘要本文为实验项目的相关教学资料教学组长蔡炜中心主任臧建彬课程编号：042100实验教学资料传热学机械与能源工程学院实验教学资料V3.0Date:2014-02-2532CopyrightByTongjiUniversity修订历史文档版本时间撰写人备注实验项目教学资料V1.02013.07.10第一次整理完成实验项目教学资料V2.02013.12.25第二次整理完成实验项目教学资料V3.02014.02.25第三次整理完成机械与能源工程学院实验教学资料V3.0Date:2014-02-2533CopyrightByTongjiUniversity实验教学资料管理管理内容&目标教学大纲、实验指导书附后实验安全控制本系列实验执行实验中心2级安全防护措施实验设备管理实验设备由本实验项目的实验教师进行维护、保养实验发展规划实验设备部分老化和陈旧，可以尝试更新和改善配套实验系统。可尝试为机械相关专业开设相关实验课程管理人员组织总控监控执行管理方法监控执行机械与能源工程学院实验教学资料V3.0Date:2014-02-2534CopyrightByTongjiUniversity机械与能源工程学院实验教学资料V3.0Date:2014-02-2535CopyrightByTongjiUniversity《传热学》课程教学实验大纲课程编号：042100学分：4总学时：68实验学时：10大纲执笔人：刘叶弟大纲审核人：张恩泽一、课程性质与目的课程性质：专业基础(C1)。课程实验教学是本课程必须的教学环节。以实验教学为本，要求学生掌握本课程实验的基本技能。完成课程实验的实验项目。二、课程面向专业建筑环境与设备工程专业。三、实验基本要求了解各种传热学实验装置的基本原理和构造、掌握传热学中常用的测试仪器仪表的应用、对实验数据能正确地计算和处理。四、实验或上机基本内容实验基本内容：传热学实验的基本原理和方法、常用的测试仪器仪表的应用、数据处理方法。五、实验内容和主要仪器设备与器材配置序号实验项目内容提要实验类别每组人数实验学时主要设备与器材设备复套数主要消耗材料所在实验室验证综合设计0005010200010圆球法测定材料导热系数在稳定传热情况下，利用圆球模型测定颗粒状材料的导热系数，并用图解法确定导热系数与温度间的关系。√62圆球导热模型，测温仪表，电源，计算机数据采集系统。2热电阻能源工程实验中心0005010200020平板绕流换热系数的测定利用空气横掠平板时的换热现象，测量有关的热工参数和电气参数，计算相应的准则数。√62平板绕流换热实验装置、电位差计、倾斜式压力计、稳压电源2热电耦橡皮管温度计等能源工程实验中心机械与能源工程学院实验教学资料V3.0Date:2014-02-2536CopyrightByTongjiUniversity0005010200030横管的自由流动换热利用多根尺寸不同的横管，测定横管在自由流动情况下有关的热工参数和电气参数，计算出对流放热系数，并将实验数据处理成准则关系式。√62横管自由流动模型，稳压电源，温度和电量传感器，计算机数据采集系统。2热电阻能源工程实验中心0005010200070热流测量用热流密度计测量通过物体的热流密度√62恒温箱，热流密度计，热电偶，电位差计1热电偶能源工程实验中心0005010200080黑体辐射试验用比较法定性测量中温辐射时物体黑度√62常温法向黑度测试仪2被测试样能源工程实验中心六、实验预习和实验报告的要求、考核方式要求学生在实验课前预习实验指导书，按实验指导书要求独立完成实验报告。指导教师批阅实验报告并作记录，作为实验课成绩评定依据。七、前修课程要求（见《传热学》课程教学大纲）。八、学时分配序号内容学时安排小计理论课时实验课时习题课时上机课时1测定颗粒状材料的导热系数222测定平板绕流换热系数223测定横管在自由流动的对流放热系数224热流测量225黑体辐射试验22总计1010九、教材、实验指导书与主要参考书课程教材名称1.传热学.实验指导书名称1.传热学实验指导书.机械与能源工程学院实验教学资料V3.0Date:2014-02-2537CopyrightByTongjiUniversity实验一圆球法测定材料导热系数一、实验目的1．掌握在稳定传热情况下，利用圆球法测定粒状材料导热系数的方法2．确定材料导热系数与温度之间的线性关系二、实验原理本实验利用在稳定传热情况下，以球壁导热公式作为基础来求得粒状材料的导热系数λ。傅里叶定律用于球体稳定导热时：𝑄=−𝜆𝐴𝑑𝑡𝑑𝑟=−𝜆4𝜋𝑟2𝑑𝑡𝑑𝑟（式1-1）对于大多数材料来说，在一定的温度范围内可以认为导热系数与温度成线性关系。𝜆=𝜆0(1+𝑏𝑡)（式1-2）式中：𝜆0—0℃时材料的导热系数；W/m∙℃；b—比例常数。将（式1-2）代入（式1-1）得：𝑄=−𝜆0(1+𝑏∙𝑡)⋅4𝜋𝑟2∙𝑑𝑡𝑑𝑟（式1-3）分离变量后积分得：𝑡+𝑏2𝑡2=𝑄4𝜋𝜆0∙1𝑟+𝐶（式1-4）当：𝑟=𝑟1，𝑡=𝑡1时有：𝑡1+𝑏2𝑡12=𝑄4𝜋𝜆0∙1𝑟1+𝐶（式1-5）𝑟=𝑟2，𝑡=𝑡2时有：𝑡2+𝑏2𝑡22=𝑄4𝜋𝜆0∙1𝑟2+𝐶（式1-6）将上式消去C得：机械与能源工程学院实验教学资料V3.0Date:2014-02-2538CopyrightByTongjiUniversity𝑡1−𝑡2+𝑏2(𝑡12−𝑡22)=𝑄4𝜋𝜆0∙(1𝑟1−1𝑟2)（式1-7）因此得到球体稳定导热时傅立叶定律的积分形式：𝑄=2𝜋𝜆0(1+𝑏∙𝑡1+𝑡22)(𝑡1−𝑡2)1𝑑1−1𝑑2（式1-8）令：𝑡𝑎𝜈=𝑡1+𝑡22，𝜆𝑎ν=𝜆0(1+𝑏𝑡1+𝑡22)=𝜆0(1+𝑏∙𝑡𝑎𝜈)，整理得：𝑄=2𝜋𝜆𝑎𝜈(𝑡1−𝑡2)1𝑑1−1𝑑2=𝜋𝜆𝑎𝜐(𝑡1−𝑡2)𝑑1𝑑2𝛿（式1-9）式中：𝜆𝑎ν—试验材料在温度𝑡1+𝑡22时的导热系数，W/m•K；𝛿—材料的厚度，mm，𝛿=𝑑2−𝑑12。所以实验中测得的导热系数𝜆𝑎ν即为内外表面平均温度下的材料导热系数。𝜆𝑎ν=𝑄𝛿𝜋𝑑1𝑑2(𝑡1−𝑡2)=𝐼𝑈𝛿𝜋𝑑1𝑑2(𝑡1−𝑡2)（式1-10）式中：I—电加热器的工作电流，A；U—电加热器的工作电压，V。如果需要求得λ和温度之间的变化关系，则必须测定在不同温度下的导热系数，然后线性回归法确定λ0、b，得到函数式λ=λ0(1+bt)，此式是描述被测材料导热系数与温度之间的经验关系式。实验点不能完全落在一条直线上，是由于λ(t)只是近似线性关系，其次实验误差也会引起偏差。三、实验装置本实验装置中，取四个温度工况。为了便于学生实验，四个不同温度工况分别由四个相同的实验球体来实现，实验装置如图1.1所示。每个实验球体由两个同心的空心球体组成，球壁均用紫铜板冲压成形，两球之间填充被测粒状材料。内球外径d1=80.0mm，外球内径d2=160.0mm。内球中间装有电加热器，加热功率由自耦式调压器调节。加热电压和加热电流由变送器将数据送入数据采集系统。当整个实验系统达到稳定后，电加热器产生的热量将全部通过中间的粒状材料传给外球壁，然后散入四周环境。机械与能源工程学院实验教学资料V3.0Date:2014-02-2539CopyrightByTongjiUniversity由于内外球壁表面的温度略有不同，因此，在内球壁外表面的顶部和底部分别布置热电偶a和b，取a、b两点温度的平均值作为球壁表面温度t1，同样测得外球壁内表面温度t2。检验实验球体达到稳态的标志是：各测点的温度不再随时间变化。四个圆球在实验期间必须远离任何热源，并放置在空气温度稳定的房间内，同时避免对圆球周围的气流产生干扰。图1.1实验装置简图四、实验步骤1.检查实验设备是否完好，确认后接通电源，检查仪表工作是否正常2.根据被测材料选择加热量，导热系数小的材料应选择较小的加热功率，以免内球温度过高（不应超过200℃），损坏设备。3.调节所需的功率，使四个球体分别处于四种不同的温度状态，开始实验。每10min中记录一次数据，待前后两次各点温度数据基本不变时，判断系统达到稳定。采用最后两次数据的平均值作为计算所用数据。4.实验结束后，应先将加热器电压调至零位，然后再关闭总电源，以避免再次开启设备造成损坏。机械与能源工程学院实验教学资料V3.0Date:2014-02-2540CopyrightByTongjiUniversity五、实验数据的记录与处理1.实验数据记录表如表1.2表1.2实验数据记录表內球外径d1：80mm，外球内径d2：160m，环境温度tf=℃，被测材料：，材料密度ρ：球号内球外表面温度（℃）外球内表面温度（℃）电压U电流Itatbt1tctdt2ⅠⅡⅢⅣ2．将各球的实验数据代入（式1-10）进行计算，求得被测材料在四个温度下的导热系数值，并填入表1.3中。表1.3实验结果记录表序号平均温度℃导热系数λW/m2℃12343.求得λ与t之间的经验公式λ=λ0(1+bt)中的λ0和温度系数b。六、实验思考题1、为什么球壳下部的温度没有上部高？2、粒状材料的导热系数与密度、湿度和温度有何关系？3、试写出圆球导热的微分方程式及其边界条件，并求出导热微分方程的定解。4、试将实验中测定的结果与文献数据（可以参考杨世铭编写的传热学一书中的附录数据）相对比，是否在文献的数据范围内？机械与能源工程学院实验教学资料V3.0Date:2014-02-2541CopyrightByTongjiUniversity实验二外掠平板换热系数的测定一、实验目的1.了解空气外掠平板时，沿平板表面的换热规律2.学会测定空气外掠平板时的局部换热系数，并绘制有关线图，加深对对流换热的认识。二、实验原理根据对流换热的原理，空气外掠平板时，沿平板的局部换热系hx数可由下式决定：ℎ𝑥=𝑞𝑥(𝑡𝑥−𝑡𝑓)（式2-1）式中：qx—物体表面某处的热流通量，2/mW；tx—相应的表面温度，C；tf—空气的温度，C。在常热流边界条件下，空气外掠单侧绝热的平板时，沿板长的局部换热系数hx的改变，与壁温沿板长的变化有联系。同时，平板还存在着沿板长方向的导热及与外界的辐射换热。分析平板上金属薄片一微元长度dx的热平衡式（如图2.1所示）。在稳定情况下，则有：𝑄𝑔+𝑄𝑐𝑑𝑖𝑛=𝑄𝑐𝑑𝑜𝑢𝑡+𝑄𝑐𝑈+𝑄𝑅+𝑄𝑐𝑑（式2-2）图2.1微元片热平衡图dxδQcdinQcdQRQgQcdouQcU绝热面机械与能源工程学院实验教学资料V3.0Date:2014-02-2542CopyrightByTongjiUniversity式中：Qg—微元段dx的内热源（均匀分布）发热量，𝑄𝑙𝑏𝛿𝑙𝑏𝛿𝑑𝑥=𝑄𝑙𝑙𝑑𝑥；b、—微元段dx的宽、厚度，mm；l—平板长度，mm；Ql—平板内热源发热量，W。Qcdin—沿板方向导入热量，−𝜆𝑠𝑏𝛿𝑑𝑡𝑑𝑥|𝑥；Qcdout—沿板长方向导出热量，−𝜆𝑠𝑏𝛿𝑑𝑡𝑑𝑥|𝑥+𝑑𝑥；QcU—对流传给空气的热量，hx(tx-tf)bdx；QR—辐射散失的热量，εbdxσb(Tx4-Tf4)；Qcd—平板非对流面的导热量，（因为平板该侧绝热，该项为零。）将以上各项代入热平衡式，可得局部换热系数表达式：ℎ𝑥=𝑄𝑙𝑏𝑙+𝜆𝑠𝛿𝑑2𝑡𝑑𝑥2−𝘀𝜎𝑏(𝑇𝑥4−𝑇𝑓4)𝑡𝑥−𝑡𝑓（式2-3）上式中Ql、tx、tf均可测试得到，但由于壁温t随x变化，只能用作图法求𝑑2𝑡𝑑