《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目录（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—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一．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。

二．实验装置（图2和图3）按上述理论及物理模型设计的实验装置如图2所示，说明如下：（1）试件试件尺寸为100mm×100mm×δ，共四块，尺寸完全相同，δ=10～16mm。

每块试件上下面要平齐，表面要平整。

（2）加热器采用高电阻康铜箔平面加热器，康铜箔厚度仅为20μm，加上保护箔的绝缘薄膜，总共只有70μm。

其电阻值稳定，在0—100℃范围内几乎不变。

加热器的面积和试件的端面积相同，也是100㎜×100㎜的正方形。

两个加热器的电阻值应尽量相同，相差应在0.1%以内。

（3）绝热层用导热系数比试件小的材料作绝热层，力求减少热量通过，使试件1。

4与绝热层的接触面接近绝热。

这样，可假定式（4）中的热量q c等于加热器发出热量的0.5倍。

（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㎜的康铜丝制成。

实验时，将四个试件齐迭放在一起，分别在试件1和2及试件3和4之间放入加热器1和2，试件和加热器要对齐。

热电偶的放置如图3，热电偶测温头要放在试件中心部位。

放好绝热层后，适当加以压力，以保持各试件之间接触良好。

三．实验原理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2δ，初始温度为t 0，平板两面受恒定的热流密度qc 均匀加热（见图1）。

求任何瞬间沿平板厚度方向的温度分布t(x ，τ)。

导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件如下：),(x t =∂∂ττ0=τ时, x=0处，δ±=x 处， c q xt=∂∂-λ方程的解为：)]exp()cos(2)1(63[),(02211220F xx a q t x t n n n n c μδμμδδδδτλτ--+--=-+∞=∑ （1）式中：τ—时间(s) ；λ—平板的导热系数(w/m ∙℃)；a —平板的导温系数(m 2/s)；n μ=πn n=1，2，3，……； 0F =2atδ傅立叶准则；0t —初始温度(℃)；c q —沿x 方向从端面向平板加热的恒定热流密度(w/m 2)；随着时间τ的延长，0F 数变大，式（1）中级数和项愈小。

当0F >0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式（1）变成：()⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+=-612,2220δδταλδτx q t x t c （2） 由此可见，当F 0>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：)61(),0(20-=-δτλδτa q t t c 平板加热面x=δ处为：)31(),(20+=-δτλδτδa q t t c （3） 此两面的温差为：λδττδc q t t t 21),0(),(=-=∆如已知q c 和δ，再测出Δt ，就可以由式（3）求出导热系数：tq c ∆=2δλ （4） 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：τδρd dtF C F q c = 式中：F 为试件的横截面(m 2)；C 为试件的比热(J/kg ∙℃)；ρ为试件的密度(kg/m 3)；τd dt为准稳态时的温升速率(℃/s)； 由上式可得比热： τδρd dt q c c =实验时，τd dt以试件中心处为准。

四．实验步骤1．记录试件的尺寸：面积F 和厚度δ；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0.1℃；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Δt）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。

五．实验数据记录和处理t：℃加热器电流I： A室温加热器电压U：V试件截面尺寸F：0.00126 ㎡试件厚度δ：0.009 m试件材料密度ρ=1200 ㎏/m3热流密度q c：w/㎡求出：热流密度c q [w/㎡]准稳态时的温差t ∆（平均值）[℃]准稳态时的温升速率τd dt[℃/小时] 然后，即可计算出试件的导热系数λ[w/m∙k ]和比热C[J/㎏∙℃]计算过程：实验二强迫对流单管管外放热系数测定实验一．实验目的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。

二．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实验装置主要由一简单的风洞和量热器组成。

风洞是用有机玻璃制成的正方形流道[尺寸为a×b(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t f1、t fa，用热电偶来测量。

图3为量热器简图。

图3 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t w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：F t t Q f w c ⋅-=)(α w （1）式中：w t ——圆管表面平均温度 ℃ f t ——实验段前后流体的平均温度 ℃F ——圆管表面积 2m ，l d F ⋅⋅=π：d 、l 分别为圆管的直径和长度 m α——放热系数 c m w o ⋅2因此ld t t Q f w c⋅⋅⋅-=πα)( w/m 2, ℃ （2）根据相似理论，强迫流动时放热现象的准则方程式为；根据实验研究可知，流体横向流过单圆管表面时，一般可将准则方程式整理成下列形式：25.038.0⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅⋅=rw rfr nef uf P P P R C N （3）上式中定性温度为流体平均温度t f ，定型尺寸为管子直径、流速采用流体过圆管时最窄处的流速。

25.0⎪⎪⎭⎫⎝⎛rw rf P P 是考虑热流方向而附加的修正项。

对于空气P r ≈常数，故准则方程式为：nefuf R C N ⋅= （4） 式中常数C 和n 可由本实验确定。

本实验是在空气被加热的情况下进行的。

圆管内加热器所产生的热量Q 是以对流换热C Q 和辐射R Q 方式传出的。

因此：R C Q Q Q -=圆管表面的辐射放热量R Q 可由下式计算：F T T c Q f w b R ⋅⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=44100100ε W （5） 式中：ε——为圆管表面黑度 ε=0.22b c ——绝对黑体的辐射系数 b c =5.67 42k m w ⋅ f w T T 、——分别为圆管表面和流体的平均绝对温度 K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Q ；管壁温度w t 流体温度f t ；管子直径d ，管子长度l 和空气流速u 。

在不同工况下测量以上数值，将每一工况下ef R 值与uf N 值表示在对数坐标图上，如图一：用Y 表示lgN uf ，用X 表示lgR ef ，每一对R ef 及N uf 的值可以在图上确定一点，将这些点连成一条直线，此直线的方程可以表示为：ef uf R n C N lg lg lg +=式中：ϕtg n =——为直线和横坐标之间夹角ϕ的正切故：C 值可以通过曲线上任一点处uf N 与ef R 的数值计算出来 nefuf R N C =因此：实验曲线可用下面方程来表示：n efuf R C N ⋅=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。