傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院2009年6月目錄前言1實(shí)驗(yàn)一 物體（耐火材料）導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定2實(shí)驗(yàn)二 自然對(duì)流放熱系數(shù)的測(cè)定5實(shí)驗(yàn)三 法向熱輻射率測(cè)試11前言傳熱學(xué)課程的課內(nèi)實(shí)踐共開設(shè)三個(gè)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)一：物體（耐火材料）導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定；穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，通過樣品上表面的熱流量與散熱盤向周圍散熱的速率相等計(jì)算樣品的導(dǎo)熱量，從而測(cè)出樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)二：為自然對(duì)流放熱系數(shù)的測(cè)定，通過本試驗(yàn)觀察高溫的物體在容器內(nèi)引起的自然對(duì)流的現(xiàn)象建立起由于溫差產(chǎn)生流體自由流動(dòng)的知識(shí)，測(cè)定水自然對(duì)流時(shí)的放熱系數(shù)，整理；實(shí)驗(yàn)三：為法向熱輻射率測(cè)試，其目的培養(yǎng)學(xué)生三性的能力，掌握熱輻射率的測(cè)試方法，了解各種物體的熱輻射率（黑度

2、）。實(shí)驗(yàn)一 物體（耐火材料）導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆瘴矬w導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定方法，了解耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)大小的基本情況。二、 實(shí)驗(yàn)原理依據(jù)物理學(xué)家傅里葉導(dǎo)熱方程，在物體內(nèi)部，取二個(gè)垂直于熱傳導(dǎo)方向。彼此相距為h，溫度分別為1、2的平行面（設(shè)12），如果平面的面積均為S，在t時(shí)間內(nèi)通過面積S的熱量Q滿足下述表達(dá)式。三、 儀器名稱導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定稱重天平游標(biāo)尺、千分卡尺冰水混合物圖1 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀四、 安裝步驟1. 將樣品放在加熱盤和散熱盤中間，然后固定；調(diào)節(jié)底部的三個(gè)微調(diào)螺母，使樣品與加熱盤、散熱盤接觸良好。2. 將熱電偶的兩個(gè)插頭插在表盤的測(cè)2上把冷端放在裝有冰水混合物的杜瓦瓶內(nèi)的細(xì)玻璃管中，熱端

3、插在散熱盤的小插孔上；將熱電偶的兩個(gè)插頭插在表盤的測(cè)1上把冷端放在裝有冰水混合物的杜瓦瓶內(nèi)的細(xì)玻璃管中，熱端插在加熱盤的小插孔上。3. 插好加熱板的電源插頭；再將Q9線的一端與數(shù)字電壓表相連，另一端插在表盤的中間位置。4. 最后，分別接好導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀、數(shù)字電壓表的電源。五、 實(shí)驗(yàn)方法1. 調(diào)節(jié)數(shù)字電壓表的調(diào)零旋鈕，再將加熱開關(guān)撥至220V檔，開始加熱。2. 待穩(wěn)定后，可以將切換開關(guān)分別撥至測(cè)1或測(cè)2端，記錄此刻樣品上、下表面的溫度。3. 移去樣品，使加熱盤與散熱盤較好的接觸，再將加熱開關(guān)撥至220V 檔，加熱散熱盤。4. 移開加熱板，在散熱板上放置膠木板，使散熱板自然冷卻；穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，通過樣

4、品上表面的熱流量與散熱盤向周圍散熱的速率相等，當(dāng)散熱盤冷卻至穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度，記錄此時(shí)的散熱速率以求出熱流量。具體操作如下：當(dāng)讀得穩(wěn)態(tài)時(shí)的1、2后，將樣品盤B移去，讓發(fā)熱盤A和散熱盤C直接接觸，使盤C的溫度上升到比2高出1mV左右時(shí)，再將發(fā)熱盤A移去，放上園盤樣品（或絕緣園盤），讓散熱盤C冷卻，每隔30秒讀一次散熱盤的溫度值，選取鄰近2的溫度數(shù)據(jù)，求出銅盤C在2的冷卻速率，則就是散熱盤在2時(shí)的散熱速率，即得：式中： m為銅盤的質(zhì)量，C為鋼的比熱容。六、 注意事項(xiàng)在做穩(wěn)態(tài)法時(shí)，約需用1小時(shí)左右，在2的數(shù)值在10分鐘內(nèi)不變時(shí)，可以認(rèn)為穩(wěn)定，記下1、2的讀數(shù)值。使用前應(yīng)將加熱盤、樣品盤、散熱盤擦干凈，還

5、可以涂少量硅油，以保證接觸良好。若移開電熱盤等時(shí)，應(yīng)關(guān)閉電源后，再進(jìn)行操作。七、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果處理樣品盤幾何尺寸：厚度（h） mm ；直徑(D) mm散熱盤物理參數(shù)：質(zhì)量(m) kg ；比熱(C) kJ/(kg)穩(wěn)態(tài)時(shí)的對(duì)應(yīng)溫度讀數(shù)毫伏值第一組第二組穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度參數(shù)1毫伏值2毫伏值1毫伏值2毫伏值對(duì)應(yīng)溫度值第一組第二組散熱盤速率測(cè)定時(shí)間2毫伏值對(duì)應(yīng)溫度時(shí)間2毫伏值對(duì)應(yīng)溫度耐火材料名稱導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定值：八、 思考題測(cè)定耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)造成誤差的原因?qū)嶒?yàn)二 自然對(duì)流放熱系數(shù)的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅?、了解空氣沿管表面自由運(yùn)動(dòng)放熱的實(shí)驗(yàn)方法，鞏固課堂上學(xué)過的知識(shí)；2、測(cè)定單管的自由運(yùn)動(dòng)放熱系數(shù)；3、

6、根據(jù)對(duì)自由運(yùn)動(dòng)放熱的相似分析，整理出準(zhǔn)則方程式。二、實(shí)驗(yàn)原理：對(duì)銅管進(jìn)行電加熱，熱量應(yīng)是以對(duì)流和輻射兩種方式來散發(fā)的，所以對(duì)流換熱量與輻射換熱量之差，即Q=Qr+Qc =IV W (1)Qc=F（twtf） W (2) w/. (3) Q換熱量W；Qr輻射換熱量W；Qc對(duì)流換熱量W；I加熱電流A；V加熱電壓V；自由運(yùn)動(dòng)放熱系數(shù)w/.；F園管表面積,F=d L,d與L分別為園管的外經(jīng)和長度；tw園管表面平均溫度 ；tf室內(nèi)空氣溫度； （4） 試管表面黑度Ce黑體的輻射熱系數(shù)Tw管壁平均溫度Tf室內(nèi)空氣溫度根據(jù)相似理論，對(duì)于自由對(duì)流放熱，努謝爾特?cái)?shù)Nu是葛拉曉夫數(shù)Gr、普朗特?cái)?shù)Pr的函數(shù)即： Nu

7、=f(GrPr)可表示成Nu=c(GrPr)n （5）定性溫度為流體與壁面的平均溫度，定性尺寸為管子直徑。其中c、n是通過實(shí)驗(yàn)所確定的常數(shù)。為了確定上述關(guān)系式的具體形式，根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果求得準(zhǔn)則數(shù)： Nu=ad Gr=VBd32Pr、B、物性參數(shù)由定性溫度從教科書中查出。改變工況（加熱量），可求得一組準(zhǔn)則數(shù)，把幾組數(shù)據(jù)標(biāo)在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上得到以Nu為縱坐標(biāo)、以Gr、Pr為橫坐標(biāo)的一系列點(diǎn)，畫一條直線，使大多數(shù)點(diǎn)落在這條直線上或周圍，根據(jù)： lgNu=lgc+nlg(GrPr) 即 Y=A+nX （6）圖一、確定參數(shù)之間指數(shù)關(guān)系圖這條直線的斜率即為n, n=tg直線與橫坐標(biāo)之間夾角的正切。截距

8、為c。實(shí)驗(yàn)曲線可以用式（3）表示。C值還可以通過曲線上任一點(diǎn)與Nu與(GrPr)的數(shù)值計(jì)算出來， 即 三、實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量儀表：實(shí)驗(yàn)裝置如圖二：該裝置有實(shí)驗(yàn)管（四種類型），實(shí)驗(yàn)管內(nèi)裝有電加熱器，兩端裝有絕熱蓋，計(jì)算中略去軸向熱損失。實(shí)驗(yàn)管上有熱電偶嵌入管壁，使用電位差計(jì)可測(cè)量出管壁的熱電勢(shì)，從而計(jì)算外表面溫度tw； 圖二、實(shí)驗(yàn)管段構(gòu)造示意圖1加熱導(dǎo)線 2.接線柱 3. 絕熱蓋 4.絕緣法蘭 5. 絕熱泡沫墊 6. 絕熱體 7.實(shí)驗(yàn)管 8.管腔 9.加熱管 10.熱電偶測(cè)量儀表控制箱內(nèi)有穩(wěn)壓器可穩(wěn)定輸入電壓，使加入管的熱量保持一定，并設(shè)置電流調(diào)節(jié)裝置以改變加熱電流從而改變實(shí)驗(yàn)管壁面溫度。電壓、電流

9、表測(cè)定電加熱器的電壓和電流,電加熱功率Q=IV。見圖三： 圖三、控制箱 1. d1=80mm測(cè)溫琴鍵開關(guān) 2.d2=60mm測(cè)溫琴鍵開關(guān) 3.d3=40mm、d4=20mm測(cè)溫琴鍵開關(guān) 4.測(cè)溫管段轉(zhuǎn)換琴鍵開關(guān) 5.加熱接線柱(4對(duì)) 6.數(shù)顯溫度計(jì) 7. 熱電偶接線柱(32對(duì)) 8. 數(shù)顯溫度計(jì)采集電位差計(jì)采集溫度轉(zhuǎn)換開關(guān)9.電壓表10.電流表 12.13.14.15對(duì)應(yīng)于四根實(shí)驗(yàn)管的加熱開關(guān) 16.17.18.19 對(duì)應(yīng)于四根實(shí)驗(yàn)管的加熱調(diào)節(jié)旋鈕 20.21 電位差計(jì)接線柱(1對(duì))四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、按電路圖接好線路，經(jīng)指導(dǎo)老師檢查后接通電源；2、調(diào)整調(diào)壓器，對(duì)試驗(yàn)管加熱；3、穩(wěn)定六小時(shí)后開

10、始測(cè)管壁溫度，記下數(shù)據(jù)；4、間隔半小時(shí)再記一次，直到兩組數(shù)據(jù)接近為止；5、把兩組接近的數(shù)據(jù)取平均值，作為計(jì)算依據(jù)；6、記下半導(dǎo)體溫度計(jì)指標(biāo)的空氣溫度；7、經(jīng)指導(dǎo)教師同意，將調(diào)壓器調(diào)整回零位，切斷電源。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理：1、已知數(shù)據(jù)：管徑d1=80mm 1200W d2=60mm 800W d3=40mm 600Wd4=20mm 300W管長L1=2000mm L2=1600 L3=1200mm L4=1000mm 實(shí)驗(yàn)時(shí)必須實(shí)際測(cè)量！ C0=5.669wm2k4 黑度1=0.11 2=3=4=0.152、測(cè)試數(shù)據(jù)：管壁熱電勢(shì)mv1 mv2mvn室內(nèi)空氣溫度tf電流I、電壓V3、整理數(shù)據(jù)：所測(cè)

11、根據(jù)熱電勢(shì)標(biāo)出平均值mvm(mv1+mv2+mvn)n查出對(duì)應(yīng)的溫度tw,計(jì)算加熱器的熱量Q=IV（W）A、求對(duì)流放熱系數(shù)B、查出物性參數(shù)定性溫度取空氣邊界層平均溫度tm=12(tf+tw)，在教材的附錄中查得空氣的導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、運(yùn)動(dòng)粘度、導(dǎo)熱系數(shù)和普朗特系數(shù)Pr。C、用標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)=0.53(PrGr)34求相對(duì)誤差()D、以班組為單位整理準(zhǔn)則方程把求得的有關(guān)數(shù)據(jù)代入準(zhǔn)則中可得準(zhǔn)則式，把對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，幾組數(shù)據(jù)可標(biāo)得一條直線，求出Nu=c(GrPr)e。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃怼⒉襟E、數(shù)據(jù)整理；2、作出直線，寫出準(zhǔn)則方程式；3、誤差分析。鉻-銅鎳（鏮

12、銅）熱電偶（E型）溫度-微伏對(duì)照表VVVVVVVVVV溫度0123456789005911817623519435441347253210591651711770830890950101010711131201192125213131373143414951556161716781740301801186219241986204721092171223322952357402420248225452607267027332795285829212984503048311131743238330133653429349235563620603658374938133877394240064071

13、413642004265704330439544604526459146564722478848534919804985505151175183524953155382544855145581905648571457815848591559826049611761846251100631963866454652265906658672567946862693011069987066713572037272734174097478754776161207658775478237892796280318101817082408309130837984498519858986598729879988

14、698940901014090819151922292929363943495059576964797181509789986099311000310074101451021710288103601043216010503105751064710719107911086310935110071108011152170112241129711365114121151411587116601173311805118781801195112024120971217012243123171239012463125371261019012684127571283112904129781305213126

15、131991327313347200134211349513569136441371813792138661394114015140902101416414239143131438814463145371461214687147621483722014912149871506215137152121528715362154381551315588230156641573915815158901596616041161171619316269163442401642016496165721664816724168001687616952170281710425017181172571733317

16、409174681756217639177151779217868260179451802118098181751825218328184051848218559186362701871318790188671894419021190981917519252193301940728019484195611963919716197941987119948200262010320181290202592033620414204922056920647207252080320880209583002103621114211922127021348214262150421582216602173931

17、021817218952197322051221302220822286223652244322522320226002267822757228352291422993230712315023228233073302338623464235432362223701237802385823937240162409534024174242532433224411244902456924648247272480624885350249642504425123252022528125360254402551925598256783602575725836259162599526075261542623

18、326313263922647237026552266312671126790268702695027029271092718927268380273482742827507275872766727747278272790727986280663902814628226283062838628466285462862628706287862886640028946290262910619186292662934629427295072958729667410297472982729908299883006830148302293030930389304704203055030630307113

19、079130871309523103231112311933127343031354314343151531595316763175631837319173199832078440321593223932320324003248132562326423272332803328844503296533045331263320733287333683344933529336103369146033772338523393334014340953417534256343373441834498470345793466034741348223490234983350643514535226353074

20、803538735468355493563035711357923587335954360343611549036196362773635836439365203660136682367633684336924500370053708637167372483732937410374913757237653377345103781537896379773805838139382203830038381384623854352038624387053878638867389483902939110391913927239353530394343951539596396773975839839399

21、204000140082401635404024340324404054048640567406484072940810408914097255041053411344121541296413774145741538416194170041781560418624194342024421054218542266423474242842509425905704267142751428324291342994430754315643236433174339858043479435604364043721438024388343963440444412544206590442864436744448

22、4452944609446904477144851449324501360045093451744525545335454164549745577456584573845819實(shí)驗(yàn)三 法向熱輻射率測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x取一定的材料，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，定性地測(cè)量中溫輻射時(shí)該材料的黑度。二、原理概述由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Qnet.i (1)式中： Qnet.ii面的凈輻射換熱量。Qabs.ii面從其他表面的吸熱量。 Qe.i i面本身的輻射熱量。 i i面的黑度。 i(dk)k面對(duì)i面的角系數(shù)。 Eeff.kk面有效的輻射力。 Eb.ii面的輻射力。 i面

23、的吸收率。 Fii面的面積。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的設(shè)備情況，可以認(rèn)為：1、傳導(dǎo)圓筒2為黑體。2、熱源。傳導(dǎo)圓筒2。待測(cè)物體（受體）3，它們表面上的溫度均勻（圖1）。圖一輻射換熱簡(jiǎn)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 F113+ 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)的互換性F22.3= F33.2 ，則： q3=Qnet.3/F3=3(Eb.11.3+ Eb.232)3Eb.3= 3(Eb.113+ 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）

24、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b稱為斯蒂芬玻爾茨曼常數(shù)，其值為5.710-8w/m2k4。對(duì)不同待測(cè)物體（受體）a,b的黑度為：；設(shè)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(jiǎn)圖如圖2所示： 圖 2、實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)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

25、 12、測(cè)溫接線柱（紅為+） 13、電源開關(guān)熱源腔體具有一個(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。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、自己選取合適的材料。2、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。3、用導(dǎo)線

26、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）。4、接通電源，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。5、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。6、取下受體，將受體冷卻后，用松脂（帶有松脂的松木）或蠟燭將受體薰黑，然后重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，測(cè)得第二

27、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。五、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待測(cè)物體表面擦凈，否則，試驗(yàn)結(jié)果將有較大出入。六、試驗(yàn)所用計(jì)算公式根據(jù)（6）式本實(shí)驗(yàn)所用計(jì)算公式為： （8）式中： 0相對(duì)黑體的黑度，該值可假設(shè)為1。 受代測(cè)物體（受體）的黑度。受受體與環(huán)境的溫差。0黑體與環(huán)境的溫差。T源受體為相對(duì)黑體時(shí)熱源的絕對(duì)溫度。受體為被測(cè)物體時(shí)的熱源絕對(duì)溫度。T0相對(duì)黑體的絕對(duì)溫度。T受待測(cè)物體（受體）的絕對(duì)溫度。七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理（舉例） A0 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(或直接從數(shù)顯儀表讀出溫度)序號(hào)N0熱源mv()傳導(dǎo) mv()受體（

28、紫銅光面）mv()備注12123室溫= 平均 序號(hào)N0熱源mv()傳導(dǎo) mv()受體（紫銅薰黑）mv()12123平均 B0 實(shí)驗(yàn)結(jié)果由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得： T受= K T0= K T0= K T/源= K T源= K T受= K將以上數(shù)據(jù)代入（8）式得：=在假設(shè)0=1時(shí)，受體紫銅（原來表面狀態(tài)）的黑度受附錄 鎳鉻-銅鎳（鏮銅）熱電偶（E型）溫度-微伏對(duì)照表VVVVVVVVVV溫度012345678900591181762351943544134725321059165171177083089095010101071113120119212521313137314341495155616171678174030180118621924198620472109217122332295235740242024822545260726702733279528582921298450304831113174323833013365342934923556362060365837493813387739424006407141364200426570433043954460452645