传热学综合性实验指导书

《传热学》实验指导书黄金张国庆
广东工业大学材料与能源学院
实验指导书
实验项目名称：两种传热方式性能参数的综合测定 实验项目性质：专业基础课实验（综合性实验） 所属课程名称：传热学 实验计划学时：4
一、 实验目的
1．熟悉在稳定热流条件下，用平板法测定导热系数的方法。

2．掌握在不同温度条件下，试材导热系数的测定。

3．了解确定导热系数与温度的变化关系。

4．了解对流换热的实验研究方法。

5．测定空气横向流动管簇表面时的平均放热系数α，并将实验数据整理成准则方
程式。

6．学习测量风速、温度、热量的基本技能。

二、 实验内容和要求
实验测试内容分两部分进行，分别为平板法测定材料的导热系数、强迫对流管簇管外换热系数测定及中温物体辐射黑度测定。

1．第一部分测试内容－平板法测定材料的导热系数
平板法是应用一维稳定导热过程的基本原理，测定绝热材料导热系数的实验测定方法之一。

本装置由的中心为一发热板，通电后发出热量Q=IV （W ）向两侧导热，如测得中心发热板和两侧冷板之间的温差t ∆，又已知试材厚度δ和试材的传热面积F F ，则可得试材的导热系数：t F VI ∆=2/δλ。

本实验装置由实验装置本体1～5，硅整流电源6，转换开关7，电位差计8等组成，见附图一所示。

热源板见附图二所示，为两块180×180mm 直接通电的薄膜发热板对称复合而成（可以视为均匀板），每块板对称复合而成可以分成9个60×60mm 的发热区。

以中心部位为测试区。

其余部分为保证一维导热的辅助加热区。

在热源板上装有铜—康铜电偶，以测出其温度。

冷侧均温板为附有二平行布置的蛇形冷却管的铜板。

二蛇形管内水流方向相反，以使冷侧板温度分布均匀。

在板上装有铜—康铜热电偶，以测出该处温度。

所有热电偶的电势、中心热源板的电压、通过标准电阻的电压降，都经过转换开关后由电位差计测量。

线路见附图三。

表1列出转换开关位置相对应的测量值。

热电偶冷端放于冰水瓶中。

表1：转换开关编号对应测点
实验时通过测量O
3、O
5
（或O
4
、O
6
）处热电偶电势的差值，可以了解中心区
与辅助区的差异。

监测中心O
1、O
2
点热电偶电势，即可判断工况是否稳定。

工况
稳定后，由O
1、O
2
、O
3
、O
4
处电势的平均数值，既可求得热源板的温度。

从V
a
,V
b
(V
c
,V
d
)
处各引出2根铜线，以测量中心区左右侧热源板的电压降V
9及V
10
，流过热源板
的电流由由通过标准电阻9两端的压降V
11
测出，即可计算热源中心区的电功率。

实验时，试材4做成二块正方形的平板，尺寸为180×180mm，厚度为20mm，试材被夹紧在热源板5和冷侧均温板3之间。

2．第二部分测试内容－强迫对流管簇管外换热系数测定
根据相似理论，流体受迫外掠物体时的换热系数α与流体流速、物体几何参数、物体间的相对几何位置以及流体物性等的关系可用下列准则方程式描述：Pr)
(Re,
f
Nu=。

实验研究表明，空气横掠管簇表面时，由于空气普郎特数
（Pr=0.7）为常数，故一般可将上式整理成下列指数形式，
n
m m
C
Nu Re
=
式中C，n均为常数，由实验确定。

努谢尔特准则
λ
α
m
m
d Nu=
雷诺准则
ν
ω
m
m
d
= Re
上述两准则中,
α——壁面平均对流换热系数[W/m²·℃] d——实验管外径，作为定性尺寸，[m] λ——空气导热系数，[W/m·℃]
ω——空气流过实验管外最窄截面处流速，[m/s] ν——空气运动粘度，[m²/s]
角下标“m ”表示以空气边界层平均温度)(2
1
f w m t t t +=
作为定性温度式中：w t ——实验管壁面平均温度[℃]
t
f
——空气平均温度[℃]
本实验的任务在于确定C 与n 的数值，首先使空气流速一定，然后测定有关
的数据：电流及电压的功率、管壁温度t w 、空气温度t f 、微压计动压头h 。

至于
α、ω在实验中无法直接测得，可通过计算求得，而物性参数可在有关书中查得。

得到一组数据后，可得一组Re 、Nu 值：改变空气流速，又得到一组数据，再得一组Re 、Nu 值：改变几次空气流速，就可得到一系列的实验数据。

三、 实验主要仪器设备和材料
1．平板法测定材料的导热系数实验装置
本实验装置由实验装置本体1～5，硅整流电源6，转换开关7，电位差计8等组成，如附图一所示。

试材视具体情况提供。

2．强迫对流管簇管外换热系数测定实验装置
本对流实验在一实验风洞中进行。

实验风洞主要由风洞本体、风机、构架、实验管及其加热器、水银温度计、倾斜式微压计、皮托管、热工仪表、功率表以及调压变压器等组成。

实验风洞如图1所示（温度计、微压计、功率表以及调压变压器等图中未示出来）。

由于实验段前有两段整流，可使进入实验段前的气流稳定。

皮托管置于测速段，测速段截面较实验段小，以使流速提高，测量准确。

风量有风机出口挡板调节。

实验段为一叉排或顺排管簇段，实验管置于管簇第三排，管内装有电加热器作为热源，管壁嵌有四对热电偶对测壁温。

1-双扭曲线进风口； 2-蜂窝器； 3-整流金属网； 4-第一测试段； 5-实验段； 6-第二测试段； 7-收缩段； 8-测速段； 9-橡皮连接管； 10-风机； 11-皮托管。

图1 强迫对流管簇管外换热系数测定实验风洞简图
四、实验方法、步骤及结构测试
1．第一部分测试内容－平板法测定材料的导热系数，实验步骤如下：（1）装好试材后，用压板螺丝将试材均匀压紧，以保证与冷热面均匀接触。

（2）检查电源、测量线路及冷却水接管，并将硅整流电源调整至零位。

（3）打开自来水开关，使冷面保持均温。

（4）开启硅整流电源，然后将电压、电流调至一定的数值。

（5）待冷热面温度稳定后，读取所有数据，并记录在表二上。

（6）改变电功率（改变工况），稳定后读取中一电功率下的所有数据。

其中应注意事项：
（1）硅整流电源的电压电流数值调得不可太高，以免烧坏试材（1≤25A）（2）自来水流量不要太大，以免损坏实验装置。

2．第二部分测试内容－强迫对流管簇管外换热系数测定，实验步骤如下：（1）将皮托管与微压计连接好，校正零点；连接热电偶与加热器、功率表以及调节变压器的热工仪表电器箱线路连接好。

经指导老师检查确认无误后，准备启动风机。

（2）在关闭风机出口挡板的条件下启动风机，让风机空载启动，然后根据需要开启出口挡板，调节风量。

（3）在调压变压器指针位于零位时，合电闸加热实验管，根据需要调整变压器，使其在某一热负荷下加热，并保持不变，使壁温达到稳定（壁温热电偶电势在三分钟内保持读数不变，即可认为已达到稳定状态）后，开始记录热电势、电功率、空气进出口温度及微压计的读数。

电压不得超过180V。

（4）在一定热负荷下，通过调整风量来改变Re数的大小，因此保持调压变压器的输出电压不变，依次调节风机出口挡板，在各个不同的开度下测得其动压头，空气进、出口温度以及电位差计的读数，即为不同风速下，同一负荷时的实验数据。

（5）不同热负荷条件下的实验，仅需利用调压变压器改变电加热器功率，重复上述实验步骤即可。

（6）实验完毕后，先切断实验管加热电源，待实验管冷却后再关闭风机。

五、实验数据的整理
1．第一部分测试内容－平板法测定材料的导热系数，实验数据整理过程如下：（1）功率计算
Q = IV （W）
其中：V——热源板中心区划测得的电压降； V=（V
9+V
10
）/ 2
V 9—— 由左热源板Va 、Vb 处测得的电压降。

V 10——由右热源板Vc 、Vd 测得的电压降。

I ——流过热源板的电流（A ），由流过标准电阻9上产生的电压降V 11来计算，因为标准电阻75A/75mv ，所以测得标准电阻上每1mv 电压等于1A 的电流流过。

（2）导热系数λ的计算： t F VI ∆=2/δλ
（W/m.K ）
其中：δ——试材厚度，δ=0.02m
F ——试材面积，F=0.003m
t ∆——冷面的温差，21t t t -=∆ ℃ 热源板平均温度：
t 1=( t 01 + t 02 + t 03 + t 04 )/4 ℃
冷侧均温板温度：
t 2 =(t 07 + t 08)/2 ℃ 试件平均温度:
t m =0.5(t 1 + t 2) ℃
对于各种试材，在各种不同的平均温度下，可测定试材导热系数和温度的关
系
()m t f =λ
对于大多数试材m t 变化范围不大，该关系式可用直线表示。

（3）按表二整理三组实验结果，求出热流量和导热系数。

（4）在λ—t 坐标图上分别描绘出相应于三个平均温度()2/21t t t m +=下的导热系数。

（5）按选点法求出导热系数受温度影响的方程式
λ=λ0（1＋bt ）
2．第二部分测试内容－强迫对流管簇管外换热系数测定，实验数据整理如下： （1）壁面平均放热系数α
电加热器所产生的总热量Q ，除了以对流方式由管壁传给空气外，还有一部分是以辐射方式传出，因此，对流换热量c Q 为
r r c Q W Q Q Q -=-=
])100
()100[(44
f w o r T T F C Q -=ε 式中：r Q ——辐射换热量[W]
W ——加热电功率[W]
ε——试管表面黑度： ε=0.6~0.7（或用中温辐射黑度测试仪
测试）
o C ——绝对黑体辐射系数：)]
/([67.54
2K m W C o ⋅= w T ——管壁面的平均绝对温度[K]
f T ——空气进出口的平均绝对温度[K]
F ——管表面积[2m ]
根据牛顿公式，壁面平均对流放热系数为：
F
Q f
w
c )(-=
α
[C m W ⋅2/]
（2）空气流速的计算
采用皮托管在测速段截面中心点进行测量， 由于实验风洞测速段分布均匀，因此不必进行截面速度不均匀的修正。

若采用倾斜式微压计测量得的动压头为h ， 则有能量方程式：
022
21+=+空空r p g u r p 而h r （r P P )12空酒
-=
-
空
空酒空酒空
空测ρρρ)
(2)(2)(212-=-=-=
gh h r r r g
p p r g
u
式中： 酒ρ ——微压计酒精的密度，33/1081.0m Kg ⨯=洒ρ
空ρ——空气的密度，根据空气的平均温度，可在有关书中查得。

h ——倾斜式微压计液柱高[m]。

由上式计算所得的流速是测速截面处的流速，而准则式中的流速是指流过试验管最窄截面的流速ϖ，由连续性方程：
)(n d L F F u ⋅⋅-=⋅试测测ϖ
n
d L F F u ⋅⋅-⋅=
试测
测ϖ
式中：测u ——测速处流体流速[m/s]
ϖ——试验管最窄截面处流速[m/s]
测F ——测速处流道截面积[m 2]
2180150mm F ⨯=测
试F ——放试管处流道截面积[m 2] 2150
450mm F ⨯=试 L ——试验管有效管长：L= 450mm
d ——实验管外径：d=38mm （实测） n ——试验管数
（3）计算定性温度m t ，并查出空气有关物性参数。

（4）确定准则方程式
将数据代入准则式，并分别求得几组准则数，即可在m Nu 为纵坐标和以m Re 为横坐标的常用对数坐标图上，得到一些实验点，然后用直线连接起来，因
m m n C Nu Re lg lg lg +=
lgC 为直线的截距，n 为直线的斜率，取直线上的两点，即可得：
1
21
2Re lg Re lg lg lg --=
Nu Nu n
n
m
m
Nu C Re =
即可得出具体的准则方程式
n
m m C Nu Re = 强迫对流管簇管外换热系数测定试验数据记录整理表见附表二。

注意： 为减少取点误差起见，可多取几对点，得出多对C ，n 值，然后取其平均值作为最后的C ，n 值。

六、实验报告要求
1．统一采用学校规定的实验报告书书写格式。

2．报告中要写清实验目的和要求、实验原理、实验步骤。

3．采用附表进行实验原始数据记录，并对数据整理。

4．在λ—t 坐标图上分别描绘出相应于三个平均温度()2/21t t t m +=下的导热系数。

5．做出 n m m C Nu Re =图线。

6．对数据进行误差分析。

7．可分成多个实验报告。

8．其它事项由实验指导老师根据具体情况进行要求。

七、思考题
1．何谓导热系数？何谓换热系数？何谓传热系数？它们的单位各是什么？哪些是物性参数？哪些与过程有关？
2．对于无限大平板内的一维稳态导热问题，试说明在三类边界条件中，两侧面边界条件的哪些组合可以使平板中的温度场获得确定的解？
3．平板导热系数实验测定过程中，如果硅整流电源的电压和电流数值调得过高会出现什么问题？
4．当一个由若干个有量纲的物理量所组成的实验数据转换成数目较少的无量纲量后，这个实验数据的性质与地位起了什么变化？
5．如果以后你工作中遇到一种对流换热现象需要作计算，但你以前并未见过，你该怎么办？当你决定从参考资料中去寻找换热特征数方程式时，你应当注意些什么？6．就对流现象而言，外掠单管的流动与管道内的流动有什么不同？
附图一平板法测定材料导热系数实验装置简图
附图二、图三
附表一平板法测定材料导热系数实验数据记录和计算表
实验者：姓名：班级：时间：
附表二：强迫对流管簇管外控热系数测定试验数据记录整理表。