传热学实验（导热对流）2015.doc

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1、实验一稳态球体法测粒状材料的导热系数测定实验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。一、实验原理图1所示球壁的内外直径分别为d1和d2（半径为r1和r2）。设球壁的内外表面温度分别维持为t1和t2，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W（1）边界条件为：r=r1t=t1r=r2t=t2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W（2）或W

2、/(m·℃)（3）图1原理图式中δ——球壁之间材料厚度，δ=（d2-d1）/2，m；λm——tm=(t1+t2)/2时球壁之间材料的导热系数；——加热电压，伏特V；——加热电流，安培A；——内球外壁温度，℃；——外球内壁温度，℃。因此，实验时应测出内外球壁的温度t1和t2，然后可由式（3）得出tm时材料的导热系数λm。测定不同tm下的λm值，就可获得导热系数随温度变化的关系式。二、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同心球组成。内球为黄铜厚壁空心球体，壳外径d1，球内布置热电偶、加热器及绝缘导热介质；外球为两个厚0.5~1mm的不锈钢

3、薄壁球壳组成，内球壳内径d2，内外球壳之间充有流动的恒温水，以保持d2温度基本不变。外球d2内壁壁与内球d1之间均匀充填粒状散料。一般d2为150~200mm，d1为70~100mm，故充填材料厚为50mm左右，内球中电加热器加热，它产生的热量将通过球壁充填材料导至外球壳。为使内外球壳同心，两球壳之间有支承杆。外球壳是一种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。本实验为双水套球结构。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套球。保温球套外用塑料箱体保护。实验数据表物料名称膨胀珍珠岩物料厚度δ30mm球壁内外直径d160mm

4、d2120mm热面温度℃冷面温度℃加热功率t1t’2t”2t2=(t’2+t”2)/2I（A）U(V)Q=UI(W)次数123平均导热系数λW/(m·℃)三、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，tm将随之发生变化，从而可获得不同tm下的导热系数。还可通过改变恒温液温度来改变实验工况。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。四、思考问

5、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．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？实验二空气横掠单管强迫对流的换热实验热交换器中广泛使用各种管子作为传热元件，其外侧通常为流体横向掠过管子的强制对流换热方式，因此测定流体横

6、向掠过管子时的平均换热系数是传热中的基本实验。本实验是测定空气横向掠过单圆管时代平均换热系数。一、实验目的及要求1、了解实验装置，熟悉空气流速及管壁的测量方法，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，掌握强制对流换热实验数据整理的方法。3、实验测定空气横掠单管时的平均换热系数；了解空气横掠管子时的换热规律。、二、实验原理1.根据牛顿冷却公式：[W](2-1)得[W/(m2×℃)](2-2)式中—对流换热的热流，[W]；—对流换热系数，[W/(m2×℃)]；—对流换热表面面积，[m2]；—流体平均温度，[℃]；—物体表面温度，[℃]。本实验采用电加热的放热圆管，空

7、气外掠圆管表面，当换热稳定时，测出加热电功率，即可得出对流换热热流，即：[W](2-3)2.根据对流换热的分析，强制对流稳定时的换热规律可用下列准则关系式来表示：(2-4)对于空气，因温度变化范围不大，上式中的普朗特数Pr变化很小，可作为常数看待，故式(6-2-4)化简为：(2-4a)式中努谢尔特数雷诺数—空气横掠单管时的平均换热系数，[W/(m2×℃)]；—空气来流速度，[m/s]；—特征尺寸，取管子外径，[m]；—空气的导热系数，[W/(m×℃)]；—