传热学实验.docx
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传热学实验
《传热学》
实验指导书与报告
工程热物理教研室
传热学实验室编
班级：
姓名：
学号：
华北电力大学
能源与动力工程学院
（一）非稳态（准稳态）法测材料的导热性能实验2
（二）强迫对流单管管外放热系数测定实验9
（三）热管换热器实验18
附：
铜一康铜热电偶温度与毫伏对照表
实验一非稳态（准稳态）法测材料的导热性能实验
.实验目的
1.测量绝热材料（不良导体）的导热系数和比热、掌握其测试原理和方法;
2.掌握使用热电偶测量温差的方法。
3.
.实验装置（图2和图3）
图2实验装置图
（1）试件
F面要平齐，表面要平整。
（2）加热器
只有70卩m。
其电阻值稳定，在0—100C范围内几乎不变。
加热器的面积和试件的端面积
（3）绝热层
（4）热电偶
利用热电偶测量试件2两面的温差及试件2、3接触面中心处的温生速率，热电偶由0.1
伽的康铜丝制成。
绝热层后，适当加以压力，以保持各试件之间接触良好。
本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。
设平板厚度为2S,
图1第二类边界条件无限大平板
处,
qc
方程的解为:
式中:
qc—沿x方向从端面向平板加热的恒定热流密度（w/m2）;
随着时间T的延长，Fo数变大，式
（1）中级数和项愈小。
当Fo>O.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式
（1）变成：
2
qcx1
tx,t022
（2）
2226
由此可见，当F0>0.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是常数，并且到处相同。
这种状态称为准稳态。
在准态时，平板中心面x=0处的温度为：
t（0,）t0丄（务£）
6
平板加热面x=3处为：
qca1
t（,）t0—
（2）（3）
3
此两面的温差为：
1qc
tt（,）t（0,）—
2
如已知qc和3,再测出△t，就可以由式（
3）求出导热系数:
（4）
qc
2t
实际上，无限大平板是无法实现的，实验总是用有限尺寸的试件。
一般可认为，试件的
横向尺寸为厚度的6倍以上时，两侧散热试件中心的温度影响可以忽略不计。
试件两端面中
心处的温度差就等于无限大平板两端面的温度差。
根据势平衡原理，在准态时，有下列关系：
式中：
F为试件的横截面（m2）；
C为试件的比热（J/kg?
C）；
为试件的密度（kg/m3）;
qc
dt
由上式可得比热:
实验时，
-J1
以试件中心处为准。
d
四•实验步骤
1.记录试件的尺寸：
面积F和厚度3;
2.按图2和图3接好电源，接通稳压器，并将稳压器预热10分钟（注：
此时开关K是
打开的）。
接好热点偶与电位差计及转换开关的导线；
3.校对电位差计的工作电流，然后，将测量转换开关拨至“1”测出试件在加热前的温
度，此温度应等于室温。
再将转换开关拨至“2”，测出试件两面的温差，此时，应指示为零
热电势，测量出示值差最大不得超过0.004mv,即相应的初始温度差不得超过0.1C；
4．接通加热器开关，给加热器通以恒定电流（试验过程中，电流不容许变化。
此值事先
经实验确定）。
同时，启动秒表，每隔一分钟测读一个数值。
齐数值时刻（1分，3分，5分……）
测“2”端热点势的毫伏数，偶数值时刻（2分，4分，6分……），测“1”端热点势的毫伏
数。
这样，经过一段时间后（随所测材料而不同，一般为10〜20分钟），系统进入准状态，
“2”端热点势的数值（即式（4）中的温差厶t）几乎保持不变。
并计下加热器的电源值；
5．第一次实验结束，将加热器开关K切断，取下试件及加热器，用电扇将加热器吹凉，
待其和室温平衡后才能继续作下一次实验。
但试件不能连续做实验，必须经过四小时以上放置，使其冷却至与室温平衡后，才能再作下一次实验。
6．实验全部结束后，必须切断电源，一切恢复原状。
．实验数据记录和处理
室温t0：
C
加热器电流I：
A
加热器电压U：
V
试件截面尺寸F：
0.00126
m2
试件厚度3:
0.009
m
试件材料密度p=1200
kg/m3
热流密度qc：
w/m
分钟
热电势数值mv
未知1
未知2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
求出：
热流密度qc[w/怦]
准稳态时的温差t（平均值）[C]
dt
准稳态时的温升速率[C/小时]
d
然后，即可计算出试件的导热系数入[w/m?
k]和比热C[J/kg?
C]计算过程：
实验二强迫对流单管管外放热系数测定实验
1•测定空气横向流过单圆管表面时的放热系数；
2.根据对受迫运动放热过程的相似分析，将实验数据整理成准则方程式；
3.通过相似原理的实际应用，加深对相似原理的了解；
4.学习用热电偶测量温度用电压电流测量功率及用比托管测流量的实验技术;
5.计算机在测试技术方面的应用。
.实验装置
图2表示空气横向流过单圆管表面时的放热实验装置。
图2.单圆管表面横向强迫对流放热实验装置示意图
1.离心式风机2.自动风机风门3.软连接4.毕托管5.后测温点6.后测静压点7.紫铜管试件
8.前测静压点9.前测温点10.整流珊11.进风喇叭口12.角铁支架13.实验台14.毕托管差
压传感器15.加热开关16.加热调节17.风门开关（上开下关）18.风机开关19.加热电流表
20.加热电压表21.一十六位巡检仪22.试验段阻力差压传感器
为axb（mm）］。
为了避免涡流的影响，风道内表面持光滑。
当风机启动后，室内空气经过吸入口2被吸入风洞内。
吸入口做成双扭线形以保证进出口气流平稳并减少损失，并且使进口处气流速度分布均匀。
在吸入口后连接入口段和工作段。
在工作段中有被研究的圆管（同时也是量热器）、加热前流体的测温热电偶、加热后流体的测温热电偶。
在工作段之后有一支测量流速的比托管、插板阀、引风机。
插板阀用以调节流量。
为减少风机振动对风洞内的速度场的影响，工作段之后的风道用亚麻布软管与风机相接。
风洞内毕托管与差压变送器相连接后可用来测量流速。
工作段前后的空气温度，即tfl、tfa，用热电偶来测量。
图3为量热器简图。
1.电源线2.压紧螺母3.保护盖4.固定板5.绝热层6.绝热层7.铜管8.绝缘层9.加热器
量热器用铜管做成，管内有电加热器，用交流电加热。
电热器所消耗的功率即是圆管表
面所放出的热量。
圆管表面温度tw用焊在管壁上的四对热电偶测量。
电路及测量系统如图4
所示：
图4电路及测量系统示意图
1.调压器2.量热器3.加热器4.测气体温度热电偶5.测气表面度热电偶6.加热管剖面
7.差压传感器8.巡检仪9.比托管10.差压传感器
三•实验原理
根据牛顿公式物体表面对流放热量Qc可用下列计算:
Qc
（twtf）Fw
（1）
式中：
tw
c
-一圆管表面平均温度
tf-
-一实验段前后流体的平均温度
c
F
-一圆管表面积
2m,
F
dl:
d、丨分别为圆管的直径和长度
m
-放热系数
wm2
o
c
因此
Qc
w/m2,C
（2）
（tw
tf）
dl
根据相似理论，强迫流动时放热现象的准则方程式为;
处的流速。
Qc和辐射Qr方式传出的。
因此：
qcqqr
式中:
分别为圆管表面和流体的平均绝对温度
q；管壁温
由以上分析可知，实验的中心问题是必须测量以下几个物理量：
圆管放热量
度tw流体温度tf；管子直径d，管子长度I和空气流速U。
因此：
实验曲线可用下面方程来表示:
NufCR：
f
四、实验步骤
在熟悉实验装置后可把线路接好，调整好测量仪表，经教师检查许可后方可开始实验，实验步骤如下：
1、先关闭插板阀，再合上风机马达的电源，使用风机在空载下起动，然后根据需要开
启插板阀，以调节风量。
待稳定后启用计算机数据采集系统。
2、合上电加热器电源，调节输出电压（不能超过150伏）在某一定工况下加热。
3、加热约15分钟后观察各热电偶的电势直到稳定为止，（壁面温度在3分钟内保持读数不变即认为到稳定）然后用计算机数据采集系统测量各热电偶的电势。
4、保持加热器功率不变，调节插板阀改变风量至另一数值重复步骤3。
5、实验中应注意以下几点：
（1）正确调整使用比托管；
（2）必须待风机起动后再合上加热器电源而实验结束时应先停止加热再停风机。
（3）实验完毕应经教师检查同意后方可离去
五、实验结果的整理：
整理实验结果时必须采用稳定状态下的数据。
平均放热系数的数值可用下式计算：
式中：
Q――电加热器所消耗的功率
U――加热器中的电压降
I――加热器中的电流强度
d及I――圆管的直径及长度
5）计算
Qr辐射放热量，按式（
tw――管壁的平均温度（用每一对热电偶所对应温度的平均值）C
tf――流体的平均温度C
雷诺准则：
尺——中流速U为风洞工作段截面上的平均流速。
流体通过毕托管时，通过差
v
压变送器测量出压差，用下式进行计算U:
u、2Pms
式中：
P――差压变送器测量出压差，单位Pa
6.实验记录
1•基本数据
实验设备号
管子直径
d=0.022m
圆管散热
管子长度
l=0.24m
2
F=0.0452m
面积
0.154X0.455
0.155X0.085
F
Fb
=0.0555m2
=0.013m2
比托管压力
流里
=1.37
1.17
修正系数
修正系数
所用热电偶种类
2.实验数据记录表
电压u
电流
I
工
40
况
压差
P
管壁平均
流体平均
流体导热
流体运动
P8
P9
温度tw
温度tf
系数f
粘度Vf
1
2
3
4
5
3•实验数据整理表:
工
况
加热量Q
圆管表面辐射
放热量Qr
平均放热
系数
努谢尔数Nuf
雷诺数Ref
1
2
3
4
5
4•根据实验数据做方程式：
lgNuflgCnIgRef曲线图，并写出准则方程式。
17
实验三热管换热器实验
1.了解热管换热器实验台的工作原理；
2.熟悉热管换热器实验台的使用方法；
3.掌握热管换热器换热量Q和传热系数K的测量和计算方法;
二.实验台的结构及其工作原理
热管换热器实验台的结构如下图所示。
实验台由翅片管（整体绕制）、热段风道、冷段风
道、冷段和热段风机、电加热器、工况调节旋钮、热电偶、比托管测动压、支架等组成。
设备简图
热段管中的电加热器使空气加热，热风经热段风道时，通过翅片管进行换热和传递，从而使冷段风道的空气温度升高。
利用风道中的热电偶对冷、热段的进出口温度进行测量，利用比托管对冷、热段的出口风速进行测量，由万能信号输入巡检仪显示仪显示其数值，从而
可以计算换热器的换热量Q和传热系数K。
．实验台参数
3.冷段传热表面参数:
量8根；传热面积:
0.42m2
4.
热段传热表面参数:
量8根；传热面积:
0.43m2
5.加热功率1500W
6.比托管修正系数
热端:
动压修正系数
E=0.845
流量修正系数
a=0.925
冷端:
动压修正系数
E=0.943
流量修正系数
a=0.980
注:
如对测数据要求较高，
最好比托管修正系数应每年用风速仪进行校正。
四.实验步骤
1.连接冷段和冷段热电偶；压差传感器与比托管的连接胶管；
2.接通电源；
3.将功率调节开关旋至最小位置（逆时针），打开电加热器和风机开关开始工作；
4.逐渐将功率调节开关加大；视温度要求设定工况I;
5.待工况稳定后（约20分钟后温差基本保持不变时），开始采样测试；
6.改变工况，重复上述步骤，测量另一种工况H参数（不高于50C）;
7.实验结束后，先切断加热电源，5分钟后切断所有电源。
五•实验数据处理
将实验测得的数据填入下表中:
工
况
序
号
风速m/s
冷、热段进出口温度C
冷段-L
热段-r
tL1
tL2
tr1
tr2
I
50V
1
2
3
平
均
n
90V
1
2
3
平
均
计算换热量、传热系数、热平衡误差:
1.工况I
冷段换热量
QLLVLFLCPLtL2tL1W
热段换热量
Qr
rVrFrCPrtr1tr2W
热平衡误差
（QrQL）wo%
Qr
传热系数
K
Qr（fLt）
式中L,R
-冷、热段出口平均风速ms；
Fl，Fr
-冷、热段出口断面积m2；
C;
2.工况n
方法同上。
将上面数据整理所求的得两种工况的实验结果填入下表
工况
冷段换热量
QlW
热段换热量
QrW
热平衡误差
%
传热系数
KW/（m2K）
I
50V
n
90V
计算过程:
22
铜一康铜热电偶温度与毫伏对照表
（冷端温度为0C）
工作端温度
毫伏
工作端温度
毫伏
0
0.000
130
5.726
10
0.391
140
6.218
20
0.792
150
6.716
30
1.201
160
7.220
40
1.618
170
7.730
50
2.004
180
8.247
60
2.478
190
8.769
70
2.920
200
9.296
80
3.370
210
9.829
90
3.827
220
10.368
100
4.291
230
10.912
110
4.673
240
11.460
120
5.241
250
12.014
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