热动传热学指导书

课程编号：02300620

课程名称；传热学

Heat Transfer Experiment Instructor 传热学实验指导书

(Belong to Pyrology Staff Room)

Hefei University of Technology

2006.1

实验一 粉末或散装绝热材料导热系数测定实验

一、实验目的

1、巩固课堂所学的稳态导热的基本理论；

2、学习圆球法测定粉末或散装材料导热系数的实验方法；

3、测定试验材料(膨胀珍珠岩或空心微珠的粉末)在试验温度下的导热系数；

4、熟悉热电偶测温、直流电位差计测热电势的原理和方法。

二、实验原理

实验时将粉末或散装试验材料均匀地填满在圆球导热仪的大球和小球之间。小球内芯装有电加热器，电加热器放出的热量传给小球，然后通过试验材料传向大球，再由大球传给空气。实验中可保证大、小球壁的温度均匀一致，因此在经过一段时间加热后，自小球向大球的传热可视为球坐标系（三个坐标方向为：半径r 方向，球的经度方向及球的纬度方向）中的沿半径方向的一维稳态导热。导热量可由傅立叶定律算出：

dr

dt r dr dt A Q 2

4πλλ-=-= (1—1) 移项后为

24r Qdr

dt πλ-=

从小球到大球积分（小球半径为r 1，直径为d 1，壁温为tw 1；大球半径为r 2，直径为d 2，壁温为tw 2）有 212111)(2d d tw tw Q --=πλ （1—2）

式中：d 1、d 2单位为m

tw 1、tw 2单位为℃

Q 的单位为w

λ的单位为w/m.℃

由上式得 )(2)11(

2121tw tw d d Q --=πλ （1—3） 实验中测出电加热器的功率或测出电加热器的电压V （伏特）和电流1（安培）就可得到传热量Q ；大、小球的壁面温度tw 1、tw 2可由埋在大、小球壁面上的各三对铜-康铜热电偶测出；大球直径d 2=160×10-3

m ，小球直径d 1=80×10-3m 。测出这些数据后就可根据（1－3）式算出导热系数值。

把d 1、d 2数值代入（1－3）式整理后可得λ的简单算式：

219952.0tw tw Q -=λ （1—4） 三、实验装置

图1 实验装置图

实验装置由圆球导热仪、试验材料、电加热器、热电偶及冰瓶、多点切换开关、电位差计、功率表或电压表与电流表、交流稳压电源、自偶变压器、整流器等组成。

圆球导热仪由大、小两个空心的球壁组成，小球同心地装在大球内，试验材料填满在大小球壁之间。

大球内壁和小球外壁上埋设的三对热电偶的冷端接冰瓶，热端和多点

切换开关相连接，以便通过电位差计测出六个热电势（大球壁三个、小球壁三个），然后查热电偶分度表得到大、小球壁面的平均温度。

小球壁内的电加热器由交流稳压电源、自偶变压器、整流器供电，功率由电压表与电流表测出或由功率直接读出。电加热器的输入功率大小可由自偶变压器调节，以改变大、小球壁的温度。

四、实验步骤

1、熟悉实验装置图，并了解各部分的作用，然后接上测量仪表和全部线路，经指导教师检查后，接通电源，并调整电加热器的输入功率为指定值（该值由指导教师临时告知）。

2、加热若干时间后，当内、外壁温度不再改变时（可由热电偶的热电势不变示出）导热仪中导热已进入稳态，可以正式测量与记录数据。

3、顺序掀按琴键式切换开关，通过电位差计分别读出六个热电势（小球为1、2、3，大球为

4、

5、6），在实验报告上记录下这六个热电势值，并记录实验中功率表读数或电流与电压表读数。

4、切断电源，结束实验。

实验二 空气横掠单管时平均对流换热系数及准则方程

式测定实验

一、实验目的

1、学习测定空气槽掠单管时平均换热系数的方法；

2、测定空气槽掠单管时的准则方程式；

3、熟悉空气流速及管壁温度的测量方法。

二、实验原理

1、空气槽掠单管的平均对流换热系数α的测定

根据牛顿冷却公式:)(f w t t A Q -=α

)

(f w t t A Q -=α (4-1) 式中 α――单管沿周平均对流换热系数w/ m 2℃。

Q ――单管与空气间的对流换热量，它等于装在管子上的电加热器的功率，单位为W

A ――单管的外表面积，m 2；A ＝πDL ，D 为管子外径（单位为m ，可选不同D 的管子实验），

L 为加热部分的管长，L=0.1m

w t ,――管外壁温度，℃

f t ,――空气温度，℃

实验中只要测出电加热器功率及管外壁温度

w t 及空气温度f t 即可按（4－1）式算出空气槽掠单管时的平均对流换热系数α。

2、空气横掠单管时准则方程式测定 根据传热学教科书，强迫对流换热准则方程的一般形式为

Pr)(Re,1f Nu = (4-2)

对本实验来讲，流体为空气，实验中空气温度变化不大，因此（4－2）

中的Pr 可视为一个常数，这样（4－2）式变为

(Re)2f Nu = (4-3)

经验表明（4－3）式可以写成指数形式，即

n C Nu Re = (4-4)

实验中只要测出常数C 及指数n ，就得到了空气槽掠单管的准则方程具体形式。C 、n 的测定方法是：

对（4－4）式两边取对数，得

Re ln ln ln n C Nu +=

(4-5)

（4－5）式在ln Nu-lnRe 的坐标图上是一条直线。该直线的斜率即为n 值，截距即为lnC 值，从而得以C 、n 值。具体做法是：

实验中改变单管外径D 值或改变空气流速u 值，每改变一次得到一个雷诺数为常数空气运动黏度v v uD ⎪⎭

⎫ ⎝⎛

=Re ，同时得到一个α值（α按前述方法测定），可算出一个Nu 值λ

αD Nu =，空气导热系数λ值实验中为常数）。这样每改变一次D 值或v 值，就得到一组（Re 、Nu ），把它描在lnNu －lnRe 图上就得到一个点，改变若干次就在图上得到若干点，连接这些点得到一条直线，然后求出这条直线的斜率和截距就得到n 、C 值。

C 、n 值的具体计算可有多种方法，本实验要求用最小二乘方法确定。