《热工学》实验指导书高寿云编南京工业大学城建学院2011年10月5日实验一、气体定压比热测定实验气体定压比热的测定是工程热力学的基本实验之一。

实验中涉及温度、压力、热量(电功)、流量等基本量的测量；计算中用到比热及混合气体(湿空气)方面的基本知识。

本实验的目的是增加热物性实验研究方面的感性认识，促进理论联系实际，以利于培养分析问题和解决问题的能力。

一、实验目的1)了解气体比热测定基本原理和构思。

2)熟悉本实验中的测温、测压、测热、测流量的方法。

3)掌握由基本数据计算出比热值和比热公式的方法。

4)分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。

二、实验装置1)整个装置由风机、流量计、比热仪本体、电功率调节及测量系统共四部分组成，如图一所示。

2)比热仪本体如图二所示。

其中1一进口温度计；2一多层杜瓦瓶；3一电热器；4一均流网；5一绝缘垫；6一旋流片；7一混流网；8一出口温度计。

3)空气(也可以是其它气体)由风机经流量计送人比热仪本体，经加热、均流、旋流、混流、测温后流出。

气体流量由节流阀控制，气体出口温度由输入电热器的电压调节。

4)该比热仪可测300℃以下气体的定压比热。

三、测量与计算1)接通电源及测量仪表，选择所需的出口温度计插入混流网的凹槽中。

2)摘下流量计上的温度计，开动风机，调节节流阀，使流量保持在额定值附近。

测出流量计出口空气的干球温度(ot)和湿球温度(w t)。

3)将温度计插回流量计，调节流量，使它保持在额定值附近。

逐渐提高电压，使出口温度升高至予计温度C可以根据下式予先估计所需电功率：τtE∆≈12。

式中W为电功率(瓦)；t∆为进出口温度差(℃)；τ为每流过10升空气所需时间(秒))。

4)待出口温度稳定后(出口温度在10分钟之内无变化或有微小起伏，即可视为稳定)，读出下列数据：每10升气体通过流量计所需时间(τ，秒)；比热仪进口温度(t1，℃)和出口温度(t。

，℃)；当时应大气压力(B，毫米汞柱)和流量计出口处的表压(h∆，毫米水柱)。

5）根据流量计出口空气的干球温度和温球温度，从湿空气的干湿图查了含湿量（d ，克/公斤干空气），并根据下式计算出水蒸汽的面积成分：622/1622/d d w +=γ图 一6）干空气流量为：skg t h B t h B T R V P Gg o w o o g g w /)15.273()6.13/)(1(106447.4)15.273(27.2910001056.73510)6.13)(1(34+∆+-⨯=+⨯⨯∆+-==-τγτγ7）水蒸汽流量为：()skg t h B t h B T R V P Gw o w o w o w w /)5.273()6.13/(10889.215.27306.4710001056.735106.1334+∆+⨯=+⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+==-τγτγ 8）水蒸汽吸收的热量为:Wt t t t G d t G Q w tt t w w 321221210187.4)](00005835.0)(4404.0[)0001167.04404.0(21⨯⨯-+-=+=⎰图 二9）干空气的定压比热为：()())./(|121212k kg W t t G Q Q t t G Q C g wg g t t pm --=-=10）比热随温度的变化关系假定在0～300℃之间，空气的真实定压比热与温度之间近似地有线性关系；则由1t 到2t 的平均比热为：2)(|21122121t t ba t t dtb a C t t tt pm ++=-+=⎰因此，若以221t t +为横坐标，12|t t C cm 为纵坐标，则可根据不同温度范围内的平均比热确定截距a 和斜率b,从而得出比热温度变化的计算式。

四、注意事项1）切勿在无气流通过的情况下使电热器投入工作，以免引起局部过热而损坏比热仪本仪。

2）输入电热器的电压不得超过220伏。

气体出口最高温度不得超过300℃。

3）加热和冷却要缓慢进行，防止温度计和比热仪本体因温度骤升骤降而断裂。

4）停止试验时，应先切断电热器，让风机继续运行十五分钟左右（温度较低时可适应缩短）。

五、数据记录及处理表格2六、对实验结果进行必要的分析实验二、稳态球体法测定粒状材料的导热系数实验一、实验目的1、了解如何用实验方法测定颗粒物质的导热系数。

2、掌握测量壁温的知识及方法。

3、正确使用测量仪表。

二、实验原理：球体法测材料的导热系数是基于等厚度球状壁的一维稳态导热过程，它特别适用于粒状松散材料。

球体导热仪的构造依球体冷却的不同可分为空气自由流动冷却和恒温液体强制冷却两种。

本实验属后一种恒温水冷却液套球体方式。

图1所示球壁的内径直径分别为d 1和d 2（半径为r 1和r 2）。

设球壁的内外表面温度分别维持为t 1和t 2，并稳定不变。

将傅里叶导热定律应用于此球壁的导热过程，得drdt FQ λ-= drdtr 24πλ∙-= W （1） 边界条件为r=r 1 t=t 1r=r 2 t=t 2 由于在不太大的温度范围内，大多数工程材料的导热系数随温度的变化可按直线关系处理，对式（1）积分并代入边界条件，得)(2121t t d d Q m-=δλπ W （2） 或 )(2121t t d d Q m -=πδλ W/m ·℃ （3） 式中 δ——球壁之间材料厚度，δ=（d 2-d 1）/2，m ； 图1 原理图 λm ——t m =(t 1+t 2)/2时球壁之间材料的导热系数。

因此，实验时应测出内外球壁的温度t 1和t 2，然后可由式（3）得出t m 时材料的导热系数λm 。

测定不同t m 下的λm 值，就可获得导热系数随温度变化的关系式。

三、实验设备导热仪本体结构及量测系统示意图如图2所示。

图 2体结构及量测系统示意图本体由两个厚1~2mm的不锈钢球壳1和2组成，内球壳外径d1，外球壳内径d2，在两球壳之间均匀充填粒状散料。

一般d2为175mm，d1为60mm，故充填材料厚为57.5mm，内壳中装有电加热器，它产生的热量将通过球壁充填材料传导至外球壳。

为使内外球壳同心，两球壳之间有支承杆。

外球壳的散热方式一般有两种：一种是以空气自由流动方式（同时有辐射）将热量从外壳带走；另一种是外壳加装冷却液套球，套球中通以恒温水或其他低温液体作为冷却介质。

本实验为水套球结构。

为使恒温液套球的恒温效果不受外界环境温度的影响，在恒温液套球之外再加装一个保温空气套球。

保温空气套与稳态平板法一样，利用球体导热仪的设备亦可测量材料的导温系数。

四、实验方法及数据整理1．球壁腔内的试验材料应均匀地充满整个空腔。

充填前注意测量球壳的直径，充填后应记录试料的质量，以便准确记录试料的容积质量[kg/m3]。

装填试料还应避免碰断内球壳的热电偶及电源线，并特别注意保持内外球壳同心。

2．改变电加热器的电压，即改变导热量，t m将随之发生变化，从而可获得不同t m下的导热系数。

实验应在充分热稳定的条件下记录各项数据。

3．由式（3）计算导热系数。

将测量结果标绘在以λ为纵坐标、t为横坐标的图上。

按λ=λo(1+bt)整理，确定λo及b值，进一步计算实验点与代表线之间的偏差及实验中的各项误差。

五、思考问题1．试分析材料充填不均匀所产生的影响？2．试分析内、外球壳不同心所产生的影响？3．内、外球壳之间有支承杆，试分析这些支承杆的影响？4．如果用空气自由流动冷却的球体试分析室内空气不平静（有风）时会产生什么影响。

5．采用什么方法来判断，检验球体导热过程已达到热稳定状态。

6．采用恒温液套球时，为什么可以把恒温液的温度当作外球壳的表面温度？7．球体导热仪在计算导热量时，是否需要考虑热损的问题？8．对于以空气自由流动冷却的球体，试按测得的数据，计算圆球表面自由对流换热系数（从加热功率中减去表面辐射散热量，即为自由对流换热量。

辐射散热量的计算方法可参见相关教材）。

9．球体导热仪从加热开始，到热稳定状态所需时间取决于哪些因素？实验三、空气横掠单管时平均换热系数的测定实验一、实验目的1、了解实验装置，熟悉空气流速及管壁的温度的测量方法。

掌握测试仪器、仪表的使用方法。

2、通过对实验数据的综合、整理、掌握强制对流换热试验的整理方法。

3、了解空气横掠管子时的换热规律。

二、实验原理：根据对流换热的分析，稳定受迫对流时换热规律中用下列准则关系式来表示： )(r e u 、P R f N =对于空气，温度变化范围又不大，上式中的普朗特数r P 变化很小。

可作为常数看待。

故上式简化为：(Re)f N u =其中：υλα/Re /vd d N u ==式中：α——空气横掠单管时的平均换热系数。

k m w 2/ v ——来流空气的速度m/s D ——定型尺寸，取管子外径m v ——空气的运动粘度s m /2λ——空气的导热系数w/m ·c要通过实验确定空气横向掠过单管时的Nu 与Re 的关系，就需要测定不同流速v 及不同管径D 时换热系数α的变化，故本试验中定管子所处的空气流速。

空气温度，管子表面的温度及管子表表面的散热量。

三、实验设备：试验系统见附图1，本体由风箱1、风箱2、有机玻璃风道3组成，试验用管子为一薄壁不锈钢圆管4、安装在有机玻璃风道中并采用硅整流器直接通电加热，空气横向掠过管子时将电流流过管子所产生的热量以对流换热方式带走，调整整流电源可改变对试验管的加热功率。

试验时Re 应有较大范围的变化。

以保证求得的空气横掠单节换热准则式的准确性。

Re 取决于管子所处空气流速v 及管子直径d 。

V 可通过调风门来改变，而V 的变化范围受到风机压头的限制，故可采用不同直径之管子作为试验管就可以达到大的Re 变化范围。

因此，我们在试验时可用直径不同的管子在不同空气速度的条件下进行。

最后将试验结果整理求得换热准则关系式。

四、测试方法，试验步聚及注意事项：空气来流速度由放在风道中的毕托管7通过倾斜式微压计8测试试验段中空气来流动压力头h ∆后计算得出。

试管上的加热功率由试验管段内的电压降U 及流过试验管的工作电流I,两者之积得出,U 、I 分别经分箱9及串联的标准电阻12，通过电位差计得出。

实验管壁温度w t 由电位差计指示出的温差f w t t -及空气流的温度f t 求得。

试验时对每一种直径的管子，空气流速可调整4个工况。

加热电流可根据管子直径及风速大小适当调整。

保持管壁与空气间有适当的温差。

每调整一个工况须待微压计。

热电偶读数等稳定后方能测量各有关数据。

将各部导线接好，并经指导教师或实验人员的检查后，方可进行试验。

试验时要先开风机。

后开整流电源，开整流电源之前要将调压柄转于输出电压零位处。

而后逐渐升压。

对于单管，所调电流有一定限制。