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1、-1 -传热学传热学实验指导书实验指导书二二油气储运实验教学中心油气储运实验教学中心2009 年年 3 月月-2 -目目录录实验一热电偶测温实验二探针法测细沙的导热系数实验三横管自然对流传热规律实验研究实验四空气纵掠平板时局部换热系数的测定实验五空气横掠单管时平均换热系数的测定实验六空气横掠圆柱体时局部换热系数的测定实验七Bi100） ，端部热损失可忽略不计，因此可把探针看作一无限长线热源作用在无限大均匀介质中。 通过求解其导热微分方程， 可求得温度与时间的关系如-7 -下：12 12ln4 qtt （1）1212ln)(4 ttq （2）（2）式中：介质的导热系数（W/m）q加热功率（W/m
2、）加热后任一时刻的时间（分）t对应与时刻的温度（）由（1）式可以看出，温度随时间的变化成对数关系，只要测出任意两时刻1，2时的温度 t1,t2和加热功率 q,就可以由（2）式计算出介质的导热系数。三、实验设备1塑料1 个2探针1 个3稳压电源1 台4电流表1 只5电位差计1 台6冰瓶1 个7秒表1 只8闸刀1 个四、实验方法和步骤探针插在泡沫塑料内，用直流稳压电源加热，从开始加热起，每隔一个时间间隔测一次壁温， 测出若干时刻对应的温度值， 描绘在半对数做标纸上 （取对数坐标， t 取直角坐标） ，可以得到一系列的点，连接各点可得到一条直线。从直线上任取两点1，2，对应的温度t1,t2,代入公式
3、（2） ，即可求出导热系数。由于温度时间关系曲线是连接各测点得到的， 容易产生误差。 为此通常采用线性回归分析的方法， 把温度随时间的变化回归成一元线性方程， 在此回归直线上的各点与实验点的偏差最小。回归的公式可油（1）式导出。设1为一已知时刻，则任意时刻对应的温度 t 可表示为：-8 -ln4ln411qqtt（3）（3）式中：q、t1、1均为已知，则 t 只是的函数。令11ln4qta，4qb ，ty ，lnx，则有：bxay(4)也可写成： lnbat(5)测得一组实验数据，计算出回归系数 a、b，就得到 t 与的线性回归方程。任取两时刻1，2，求出对应的温度 t1、t2，代入（2）时，
4、可算出导热系数。注意到 12 1212ln)ln(lnbbtt，代入（2）式可得到更简单的导热系数计算公式：bq 4（6）式中的 q 为加热功率LRIq2 （7）（7）式中：I 为流过加热丝的电流，R 为加热丝的电阻，L 为加热线的长度。R、L 在制作探针时已经测出。各个探针有不同的值，可查探针的原始数据表得到，I 在实验时测出，测试时间的长短视探针和被测介质的不同有不同的最佳范围。实验步骤如下：1将探针垂直插入沙桶中央，接好测温和加热线路，并测量探针和测温点的初始温度。2打开稳压电源，调至所需电压（每个探针都已标出电压范围） 。3同时按下闸刀开关和秒表，记录电流。4按表要求的时间测量探针对应
5、的温度，测温时要确保探针壁温与时间一一对应。5测量结束后再记一次电流，I 取两次测量的平均值，然后切断电源，关闭电位差计，整理好实验设备。6查出热电势对应的温度值。-9 -7记录所用探针的编号和参数（长度 L、电阻 R） 。表 11探针壁温记录表时间（分）01234681012热电势（mv）温度（）五、实验报告1探针编号、参数及实验数据。2对实验数据进行回归计算，求出回归系数和回归方程。3按线性回归法计算沙子的导热系数。线性回归公式：bxay222)( iiiiiii xnxxyxyxa22)( iiiiiii xnxyxynyxb-10 -实验三横管自然对流传热规律实验研究一、实验目的l、了
6、解空气沿横管表面自然对流传热规律的实验研究方法，巩固课堂上学过的传热学知识。2、测定横管的自然对流传热系数 h。3、通过数据处理，整理出自然对流传热准则方程式。二、实验原理对横管进行电加热，热量应是以对流和辐射两种方式来散发的，所以对流换热量为总热量与辐射热换量之差，即：rc,)(tthAwc, 440100100TTACw rIV(W) 44 0 100100)()()(TT ttC ttAIV ttAttAhwwwwrw式中：一加热功率,W；r一辐射换热量,W；c一对流换热量,W；一管表面黑度；0C一黑体的辐射系数；67. 50C（W/m2K4）wt一管壁平均温度, ；t一室内空气温度,；
7、A 一管表面积，m2；h 一自然对流传热系数,W/(m2)；根据相似理论，对于自然对流传热，努谢尔特数 Nu 是葛拉晓夫数 Gr、普朗特数Pr 的函数，即：Nu=f(Grpr)，可表示成：nGrCNuPr)(其中 C、n 是通过实验所确定的常数。为了确定上述关系式的具体形式，根据所测的数-11 -据，求出准则数：hdNu 33tdgGr式中，Pr、 、为空气的物性参数，由定性温度 tm从教科书中查出。2tttw m，d 为定型尺寸,取管外径,tttw。wt为横管平均壁温，取各测点温度平均值，即nttttn w 21。测出稳定状态下四根横管的管壁温度、加热功率和空气温度，即可求得 4 组 Nu、
8、Gr.Pr数，把 4 组数据取对数绘在直角坐标纸上,得到以 lnNu 为纵坐标，以 ln(Gr.Pr)为横坐标的一系 列 点 ， 画 一 条 直 线 ， 使 大 多 数 点 落 在 这 条 直 线 上 或 周 围 ， 根 据 ：Pr)ln(lnlnGrnCNu,这条直线的斜率即为 n， 截距为 lnC。 因此可以求出常数 C 和 n。三、实验装置及测量仪表实验装置有实验管(四种类型)，支架、测量仪表电控箱等组成。(见简图)实验管内有加热丝，通一恒定电流可加热，产生的热量通过自然对流传热、辐射传热和轴向导热向周围传递，由于管长径比较大，轴向导热可忽略不计，只考虑自然对流传热、辐射传热， 为了减少
9、辐射传热量， 管壁采用电镀， 使其黑度系数减小， 辐射传热量的比例减小，在总加热功率中减掉辐射传热量，则是自然对流传热量。经过一段时间后，管壁温度趋于稳定，实验管上有热电偶安装在管壁上，可以测出出管壁的温度，由安装在电控箱上的测温数显表通过转换开关读取温度值。电加热功率则可用数显电压表、电流表读取,并计算出加热-12 -功率。四、实验步骤1熟悉实验装置的组成、各部分的作用、测量线路和加热线路。2实验装置已提前加热基本趋于稳定，实验时不要调节加热电压。3开始测量各参数。管壁温度通过数显仪表和按键开关依此测量，其中 1#、2#管有 6个测温点，3#、4#管有 4 个测温点， 室内空气温度t用数显温
10、度计测量，加热电流和加热电压直接从数显仪表上读取。4间隔 20 分钟再测一次，若两次数据误差小于 1%，则说明达到稳态，即不再测量。用最后一次测的数据进行数据处理。若误差较大，可过 20 分钟再测一次。5测量完结束实验，但不要关闭电源，以备后面的同学进行实验。6测试数据记录表按表测量管壁温度 tw1,Tw2,tw3twn室内空气温度 t、电流 I、电压 V。记录在表中。管壁各点温度 twi（）管号测量次数 tw1tw2tw3tw4tw5tw6空气温度t平均壁温tw加热电流 I（A）加热电压 V（V）1 1# 21 2# 21 3# 21 4# 2五、实验数据处理1.已知数据管号管径 d(m)管
11、长 l(m)黑度1#0.081.60.112#0.061.20.153#0.040.80.154#0.020.50.15-13 -2数据处理(1)计算加热的热量=IV(w)、平均壁温、定性温度，定性温度取管壁温度和空气温度的平均值 2tttw m。(2)计算自然对流传热系数 44 0 100100)()()(TT ttC ttAIV ttAttAhwwwwrw(3)查出物性参数在教科书的附录中查得空气的导热系数 、热膨胀系数、运动粘度和普朗特数 Pr。(4)整理准则方程四根管的数据代入准则方程，可求出四组 Nu、GrPr 的数值，取对数后绘在直角坐标纸上，以 lnNu 为纵坐标,ln(GrPr
12、)为横坐标。把数据点连成一条最佳的直线，求出直线的斜率 n和截距 lnC，再反求出 C。即可求出准则方程式：nGrCNuPr)(六、实验报告要求1实验目的、原理、步骤、原始数据及数据处理结果。2作出直线，求出直线的斜率 n 和截距 lnC，得到准则方程式的常数 C 和 n，写出准则方程式的拟合公式。-14 -实验四空气纵掠平板时局部换热系数的测定一、实验目的及要求1了解试验装置的原理，掌握空气纵掠平板时局部换热系数、温度边界层和速度边界层测试方法；2测定空气纵掠平板时的局部换热系数和流动边界层内的温度分布，速度分布。3通过对实测数据的整理，了解沿平板局部换热系数的变化规律，分析讨论换热系数变化
13、的原因。二、基本原理流体纵掠平板是对流换热中的最典型的问题。 本实验通过测定空气纵掠平板时的局部对流换热系数，掌握受迫对流换热的基本概念和规律。局部对流换热系数由下式定义：ttqhxxW(m2)(8-1)其中：q物体表面某处的热流密度，Wm2； tx相应点的表面温度，；t 气流的温度，。本试验装置上所用的试件是一平板，纵向插入一风道中，板表面包覆一薄层金属片，利用电流流过金属片对其加热， 可以认为金属片表面具有恒定的热流密度。 测定流过金属片的电流和其上的电压降即可准确地确定表面的热流密度。 表面温度的变化直接反映出表面换热系数的大小。三、试验装置及测量系统试验装置本体是由一风源和测试段构成。
14、风源为一箱式风洞，似一工作台。风机、稳压箱、收缩口都设置在箱体内。风箱中央为空气出风口，形成一有均匀流速的空气射流。试验段的风道即放置在出风口上。 风机吸入口有一调节风门， 可以改变试验段风道中的空气流速。图 41 为测定空气纵掠板局部换热系数的试验段简图， 试验段风道 1 由有机玻璃制成，中间插入一可滑动的板 2，板面纵向包覆一不锈钢片 3，成一很薄的梯形板，两侧对称，中间设置有热电偶 4，沿纵向 x 轴不均匀地布置 22 对热电偶，它们通过热电偶转换板6与测温电位差计相连。 片 3 的两端经电源导板 5 与低压直流电源连接。1风道2平板3不锈钢片 4热电偶5电源导板6热电偶转换板图 4-
15、1 试验段简图-15 -图 42 为试验装置的原理图。1低压直流电源2风源3试验段管道4平板试什5标准电阻6热电偶热端7热电偶冷端8分压箱9转换开火10电位差计1 1微压计12毕托管图 4- 2 测定空气纵掠平板时局部换热系数的试验装置及测量系统平板上的不锈钢片由硅整流电源 1 供给低压直流大电流直接通电加热。调整硅整流电源的输出电压，可改变对平板的加热功率。电流由电位差计测量串联在电路中的标准电阻 5 上的电压降来确定。不锈钢片两端的电压降通过分压箱 8 分压后由电位差计测量。为了简化测量系统，测最平板壁温 tw 的热电偶，其参考温度不用摄氏温度，而用空气流的温度 t，即其热端 6 设在板内，冷端 7 则放在风道气流中。所以热电偶反映的温差为tx-t的热电势 E(tx-t)，也用电位差计测量。电流、电压、温度测量可通过转换开关 9 切换。风道上装有毕托管 12，通过倾斜式微压计 11 测量掠过平板的气流动压，以确定空气流速。来流空气温度 t用 110水银温度计测出。四
