热工基础实验指导书汇总.docx
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热工基础实验指导书汇总
《热工基础实验》
实验指导书
周露亮编
2016年2月
实验要求
1．实验前应预习与实验有关的教材内容和实验指导书，了解实验目的、实验原理、实验步骤和实验要求，做到心中有数。
2．在实验室要首先熟悉实验装置的构造特点、性能和使用方法，使用贵重仪器时需得到指导教师的许可，方可动用。
3．实验时应严肃认真、一丝不苟，细致地观察实验中的各种现象，并作好记录，通过实验，训练基本操作技能，培养科学的工作作风。
4．实验结束时，学生先自行检查全部实验记录，再经指导教师审阅后，方可结束实验。
5．实验时，如出现实验仪器损坏情况，应及时向指导教师报告。
6．按规定格式认真填写实验报告，并按期交出。
实验一饱和蒸汽压力和温度关系实验
一、实验目的
1、通过观察饱和蒸汽压力和温度变化的关系，加深对饱和状态的理解，从而树立液体温度达到对应于液面压力的饱和温度时，沸腾便会发生的基本概念。
2、通过对实验数据的整理，掌握饱和蒸汽p—t关系图表的编制方法。
3、观察小容积的饱和沸腾现象。
二、实验设备
本实验使用<可视性饱和蒸汽压力和温度关系实验仪（ΙΙΙ型）>。
实验装置主要由加热密封容器（产生饱和蒸汽）、电接点压力表（0.1——0——1.5MPa）、调压器（0——220V）、
图1
电压表（图中未示出）、水银温度计（0——220℃）、测温管（管底注入少量机油，用来传递和均匀温度）和透明玻璃窗等组成（参见图1）。
采用电接点压力表的目的，在于使用中能限制压力的意外升高，起到安全保护作用。
三、实验方法和步骤
1.熟悉实验装置的工作原理、性能和使用方法。
2.将调压器指针置于零位，然后接通电源。
3.将电接点压力表的上限压力指针拔到稍高于最高试验压力（例如0.8MPa）的位置。
4.将调压器输出电压调至200——220V，待蒸汽压力升至接近于第一个设定的压力值时，将电压降至20——50V左右（参考值）。
由于热惯性，压力将会继续上升，待压力达到设定值时，再适当调整电压（提高或降低），使工况稳定（压力和温度基本保持不变）。
此时，立即记录下蒸汽的压力和温度。
重复上述实验，在0——0.8MPa（表压）范围内取不少于6个压力值，顺序分别进行测试。
实验点应尽可能分布均匀。
5.实验完毕后，将调压器指针旋回零位，并断开电源。
6.记录实验环境的温度和大气压力。
[注意]：
1）本设备也可采用逐点自控压力的方法进行测试，在控制的压力值下，测定相对应的饱和温度。
但利用电接点控制，接点时接时离，温度不易稳定，且有损设备的使用寿命，所以不推荐使用。
2）本装置允许使用压力为0.8MPa（表压），不可超压操作。
[几点建议]：
1）教师可经过多次实验，找出与设定工况相应的电压值，以便缩短测试时间，提高测试精度。
2）为缩短实验课课时，指导教师可提前开启预热设备。
（注意：
为安全起见，应利用限压装置）。
3）测试时，建议以从低到高的顺序进行测试。
4）实验时，不必硬性规定各测试点的数值，可根据实验情况，在适当的稳定工况下，测读出数据来。
四、数据记录和处理
1.记录与计算
实验序数
饱和压力[MPa]
饱和温度[℃]
误差
压力表
P’
大气
压力B
绝对压力
P=P’＋B
温度计
读值t’
标准值
t
△t=t-t’
[℃]
△t/t*100
[％]
1
2
3
4
5
6
2、绘制P——t关系曲线：
将实验结果点在坐标中，清除特殊偏离点，绘制曲线。
3、整理成经验公式
将实验点绘制在双对数坐标中，实验曲线将基本呈一直线，所以饱和水蒸汽压力和温度的关系可近似整理成下列经验公式：
t=100
五、思考题
1、本装置允许使用压力为多少？
2、实验在什么范围内取多少个压力值？
3、绘制P——t关系曲线时P表示什么压强？
实验二热管换热器性能实验
一、实验目的
1．了解热管换热器实验台的工作原理；
2．熟悉热管换热器实验台的使用方法；
3．掌握热管换热器换热量Q和传热系数K的测试和计算方法
二、实验台的结构极其工作原理
热管换热器实验台的结构如下图所示。
1—翅片热管；2—热段风道；3—冷段风道；4—风机；5—电加热器（I—450W，II—1000W）；6—工况选择开关（I和II）；7—热电偶；8—测温切换开关；9—热球风速仪（独立仪表）；10—冷端热电偶接线柱；11—电位差计接线柱；12—风速测孔；13—支架
加热段中的电加热器使空气加热，热风经热段风道时，通过翅片热管进行换热和传递，从而使冷段风道的空气温度升高。
利用风道中的热电偶对冷、热段的进出口温度进行测量，并用热球风速仪对冷、热段的出口风速进行测量，从而可以计算出换热器的换热量Q和传热系数K。
三、实验台参数
冷段出口面积Fl=0.09²∏/4=0.0064m²
热段出口面积Fr=0.16²=0.0256m²
冷段传热表面积fl=0.536m²
热段传热表面积fr=0.496m²
四、实验步骤
1、联接电位差计和冷端热电偶。
（如无冰条件，可不接冷端热电偶，而将冷端热电偶的接线柱短路。
这样，测出的温度应加上室温）
2、接通电源，将工况开关按在“工况I”位置（450W），此时电加热器和风机开始工作。
3、用热球风速仪在冷、热段出口的测孔中测量风速。
（为使测量工作在风道温度不超过40的情况下进行，必须在开机后立即测量）。
风速仪使用方法，请参阅该仪器说明书。
4、待工况稳定后（约20分钟后），按下琴键开关，切换测温点，逐点测量冷,热段进出口温度tl1、tl2、Tr1、Tr2（参看实验台结构图）。
5、将“工况开关”按在“工况II”位置，重复上述步骤，测量工况II的冷热段进出口温度。
6、实验结束后，切断所有电源。
五、实验数据处理
1、数据记录
工况
序号
风速v
冷、热段进出口热电势mv
冷段
热段
tl1
tl2
tr1
tr2
I
1
2
3
平均
II
1
2
3
平均
2、计算换热量、传热系数及热平衡误差；
工况I（450W）
冷段换热量Ql=0.24（3600Vl.Fl.pl）（tl2-tl1）[Kcal/h]
热段换热量Qr=0.24（3600Vr.Fr.pr）（tr1-tr2）[Kcal/h]
热平衡误差&=（Qr-Ql）/Qr%
传热系数K=Ql/fl△t[Kcal/m².h.ºC]
式中vl,vr——冷、热段出口平均风速[m/s]
Fl,Fr——冷、热段出口段面积[m²]
tl1,tr1,tl2,tr2——冷段、热段进出口风温（参见图示）
实验三套管换热器液-液换热实验
一、实验目的
1、测定在套管换热器中进行的液液热交换的传热总系数，流体在圆管内作强制湍流时的传热系数。
2、对在强制对流下进行液液热交换过程，验证求算传热膜系数的关联式。
3、通过实验取得新物系的传热系数的数据及其计算式。
二、实验设备
本实验装置主要由套管热交换器（Ф12×1.5mm的黄铜管为内管，Ф20×2.0mm的有机玻璃管为套管所构成）、恒温循环水槽（控制恒温）、高位稳压水槽（保持水压恒定）以及一系列测量和控制仪表所组成，装置流程如图所示。
三、实验的方法与步骤
1、向恒温循环水槽灌入蒸馏水或软水，直至溢流管有水溢出为止。
2、开启并调节通往高位稳压水槽的自来水阀门，使槽内充满水，并溢流管有水流出。
3、将冰碎成细粒，放入冷阱中并掺入少许蒸馏水，使之浊状。
将热电偶冷接点插入冰水中，盖严盖子
4、循环水槽的温度自控装置的温度定为55℃。
启动恒温水槽的电热器。
等恒温水槽的水达到预定温度后即可开始实验。
5、开启冷水截止球阀，测定冷水流量，实验过程中保持恒定。
6、启动循环水泵，开启并调节热水调节阀。
热水流量在60～250L/h范围内选取若干流量值（一般要求不少于4～5组测试数据），进行实验测定。
7、每调节一次热水流量，待流量和温度都恒定后，再通过琴键开关，依次测定个点温度。
四、实验结果整理
1、实验设备基本参数。
测试段长度：
L=mm
流体流通的横截面积：
内管横截面积：
S=mm2
环隙横截面积：
S`=mm2
热交换面积：
内管内壁表面积：
Aw=mm2
内管外壁表面积：
Aw`=mm2
平均热交换面积；A=mm2
2．实验数据记录：
实验序号
冷水流量
热水流量
温度
测试截面I
测试截面Ⅱ
V,
V
T1
TW1
T`1
T2
TW2
T`2
Kg/s
Kg/s
0C
0C
0C
0C
0C
0C
3.实验数据整理：
（1）求取总传热系数；
实验序号
管内流速
流体间温度差
传热速率
总传热系数
u
△T1
△T2
△Tm
Q
K
m.s-1
K
K
K
W
W.m-2K-1
1
2
3
4
（2）由实验数据求取流体在圆形内做强制湍流时的对流换热系数h。
实验数据可参考下表整理
实验序号
管内流速
流体与壁面温差
传热速率
管内传热膜系数
U
T1-T2
T2-TW2
△T'm
Q
а
M·S-1
K
K
K
W·m-2k-1
W·m-2k-1
1
2
3
4
实验四球体法粒状材料的导热系数的测定
一、实验目的
1.巩固稳定导热的基本理论，学习球体法测定物质的导热系数的实验方法；
2.实验测定被测材料的导热系数λ；
3.绘制出材料导热系数λ与温度t的关系曲线。
二、实验原理
加热圆球（见图1）由两个壁厚1.2毫米的大小同心圆球
（1）组成。
小球内装有电加热器
（2）用来产生热量。
大球内壁与小球外壁各设有三对铜-康铜热电偶（4）。
当温度达到稳定状态后，电加热器产生的热量全部通过中间的测试材料（3）传到外球，再由外球传给空气。
1.大小同心球；
2.电加热器；
3.颗粒状试材；
4.铜康铜热电偶；
5.专用稳压电源；
6.专用测试仪；
7.底盘；
8.UJ36a电位差计
测取小球的温度t1，t2，t3,取其平均温度：
T1=（t1+t2+t3）/3；
测取大球的温度t4，t5,t6，取其平均温度：
T2=（t4+t5+t6）/3；
根据圆球导热公式：
λ=[UI（1/D1-1/D2）]/[2π（T1+T2）]-----------
（1）;
式中：
U——加热电压；I——加热电流；
D1——小球直径；D2——大球直径；
三、实验装置及主要技术指标
实验装置YQF-1型导热系数测定仪的面板图见图二：
1-电源开关；2-电源指示灯；3-3.5位数显毫伏表；4-毫伏表调零电位器；5-补偿电压调节电位器；6-补偿按键；7-热电偶测量电压输出端；8-热电偶输入选择开关。
专用电源的面板图见图三：
1-电源开关；2-电源指示灯；3-电压表；4-电流表；5-过载指示灯；6-电源输出端；7-电源输出粗调；8-电源输出细调。
1．加热圆球
1.1测量温度范围：
50℃～200℃
1.2加热电压：
0～60V加热电流：
0～1A（因不同的材料而不同）
1.3圆球尺寸：
小球直径D1=80mm大球直径D2=160mm
1.4稳定时间：
约4～5小时
2.导热系数测定仪
2.1数显毫伏表：
3.5位显示，量程0～20mV，测量精度：
0.1%±2个字
2.2温度补偿范围：
-10℃～40℃，补偿精度±0.5℃
3.专用电源：
输出电压0～80V；输出电流0～1A
四、实验方法和步骤
使用前，先在加热圆球的顶部用漏斗装入测试材料，如果已加好试材，则可进行实验。
1.按图3所示进行仪器的连接。
稳压电源的输出通过电流表专用插头接到加热圆球底盘上的插座。
电源输出“+”端串接电流表。
电流表“-”与电源输出“-”端并接电压表。
2.将15芯信号线的一端插入加热圆球底座（7）专用插座，另一端插到导热系数测定仪后面板上的15芯插座上。
3.将稳压电源的输出调到最小位置，即粗调和细调均逆时针打到底。
开启电源开关，指示灯亮。
调节粗调和细调开关，改变输出电压，根据电压表和电流表的指示，调节加热功率至所需的电流和电压值。
4.打开导热系数测定仪的电源开关。
先进行数显毫伏表的调零。
将面板右下方的输出端短接，用小一字螺丝刀调节右上角的调零电位器，使毫伏表显示为零。
若已为零则无须调节。
去掉短接线就可进行测量。
5.若想检测仪器内部的温度补偿是否正常，只须按下“补偿”键，则数显毫负表显示的值即位补偿电压。
对照环境温度，通过查看附录1即可知道补偿电压是否准确。
若不准确，可用小一字螺丝刀微调“补偿”按键上方的补偿电位器至准确的补偿值即可。
再按“补偿”按键使它弹起即回到测量状态。
6.观察加热圆球的温度变化情况。
当数显毫伏表或电位差计（UJ36a型）的读数不再变化，则表示温度已达到稳定。
这时用精密电压表和电流表测得U和I的值，即可计算得到加热功率。
转动导热系数测定仪上的输入选择旋钮（8）。
这样就能选择6个热电偶进行分别测量。
7．输入选择旋钮测得的mA值加上补偿mA值即为热电偶测量值，对照附录1“铜——康铜热电偶分度表”即可查得对应的测量温度。
五、实验数据记录和处理
1、实验完后记录实验数据记录，并整理填写下表：
序号
加热电流A
加热电压V
小球温度
大球温度
导热系数W/m℃
t1
mV
℃
t2
mV
℃
t3
mV
℃
T1
℃
t4
mV
℃
t5
mV
℃
t6
mV
℃
T2
℃
导热系数λ根据式
（1）计算
2、绘制材料导热系数λ与温度t的关系曲线
六、思考题
1、为什么大球内壁与小球外壁要设三对热电偶？
2、实验室内的空气流通对实验有何影响？
实验五平板法导热系数的测定
一、实验目的
1、利用物体的散热速率求导热速率
2、测量物体在室温～100℃多点的导热系数，绘制λ——t曲线。
二、实验原理
导热是物体相互接触时，由高温部分向低温部分传递热量的过程。
当温度的变化只是沿着一个方向（设Z方向）进行的时候,热传导的基本公式可写为dQ=-λ·（dT/dz）·ds·dt（2-9-1）
它表示在dt时间内通过ds面的热量为dQ，dT/dz为温度梯度，λ为导热系数。
如图，待测物B的上下表面分和上下铜盘接触，热量由高温铜盘A通过待测物B向低温铜盘传递，若B很薄，则通过B侧面向周围环境的散热量可以忽略不计，视热量沿着垂直B的方向传递。
那么，稳态导热的情况下，在△t时间内，通过面积为S、厚度h的匀质板的热量为
ΔQ=-λ（ΔT/h）·S·Δt（2-9-2）
ΔQ/Δt=-λ（ΔT/h）·S（2-9-3）
△T表示匀质圆板两板面的恒定温差，ΔQ/Δt便为待测物的导热速率。
只要知道了导热速率，由（2-9-3）式即可求出λ。
实验中，使上铜盘A和下铜盘P分别达到恒定温度T1、T2，并设T1＞T2。
即热量由上而下传递，通过下铜盘P向周围散热。
因为T1和T2不变，所以，通过B的热量就等于P向周围散发的热量，即B的导热速率等于P的散热速率。
因此，只要求出了P在温度T2时的散热速率，就求出了B的导热速率△Q/△t。
因为P的上表面和B的下表面接触，所以P的散热面积只有下表面面积和侧面积之和，设为Sb。
而实验中冷却曲线P是全部裸露于空气中测出来的，即在P的上下表面和侧面都散热的情况下记录出来的。
设其全部表面积为Sc，根据散热速率与散热面积成正比的关系得
（ΔQ/Δt）b/（ΔQ/Δt）c=Sb/Sc（2-9-4）
式中：
（ΔQ/Δt）b为Sb面积的散热速率；（ΔQ/Δt）c为Sc面积的散热速率。
而散热速率（ΔQ/Δt）b就等于（2-9-3）式中的导热速率ΔQ/Δt，
则（2-9-3）式便可写作：
（ΔQ/Δt）b=-λ·（ΔT/h）·S（2-9-5）
设下铜盘直径为D，厚度为δ，质量为m，比热容为C
那么有Sb=π（D/2）2+πDδ；Sc=2π（D/2）2+πDδ（2-9-6）
由比热容C=ΔQ/m•ΔT得ΔQ=c·m·ΔT′
故（ΔQ/Δt）c=c·m·ΔT′/Δt（2-9-7）
将（2-9-6）、（2-9-7）代入（2-9-4）式，
得（ΔQ/Δt）b=[（D+4δ）/（2D+4δ）].c.m.K式中：
K=ΔT′/Δt|T=T2（2-9-8）
得λ=－[c·m·K·h·（D+4δ）]/[лD2（T1-T2）（2D+4δ）]（2-9-9）
三、实验装置
四、实验步骤
1、用游标卡尺多次测量下铜盘的直径D、厚度δ和待测物厚度L，然后取平均值。
下铜盘的质量m由天平称出，其比热容C=3.805×10²J/kg·℃。
2、安置圆筒、圆盘时，须使放置热电偶的洞孔与杜瓦瓶同一侧。
热电偶插入铜盘上的小孔时，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，使热电偶测温端与铜盘接触良好，热电偶冷端插在冰水混合物中使温度控制在0℃。
3、据稳态法，必须得到稳定的温度分布，这就要等待较长的时间，为了提高效率，可先将电源电压打到高档，加热约20分钟后再打至低档。
然后，每隔5分钟读一下温度示值，如在一段时间内（如10分钟）样品上、下表面温度T1、T2示值都不变，即可认为已达到稳定状态。
记录稳态时T1、T2值后，移去样品，再加热，当下铜盘温度比T2高出10ºC左右时，移去圆筒，让下铜盘自然冷却。
每隔30秒读一次下铜盘的温度示值，最后选取邻近的T2测量数据来求出散热速率。
在采用PID自动控温时，可连续在50ºC、60ºC、70ºC、80ºC、90ºC、100℃时并使得在各点T1、T2值稳定不变（准稳定状态）。
记录稳态时各温点T1、T2值后。
照上述方法移去圆筒,让下铜盘自然冷却。
每隔10～20秒读一次下铜盘散热速率，代入公式进而测得样品在以上不同温度下的导热系数。
4、本实验选用铜-康铜热电偶测温度，温差100℃时，其温差电动势约4.0mV，故应配用量程0～10mV，并能读到0.01mV的数字电压表（数字电压表前端采用自稳零放大器，故无须调零）。
由于热电偶冷端温度为0℃，对一定材料的热电偶而言，当温度变化范围不大时，其温差电动势（mV）与待测温度（℃）的比值是一个常数。
由此，在用式2-9-9计算时，直接以电动势值代表温度值。
5、使用前将加热盘与散热盘面擦干净。
样品两端擦净，可涂上少量硅油，以保证接触良好。
注意，样品不能连续做试验，特别是橡皮、牛筋必须降至室温半小时以上才能进行下一次实验。
6、在实验过程中，若移开电热板，就先关闭电源。
移开热圆筒时，手应拿住固定轴转动，以免烫伤手。
五、实验数据记录与处理
1、列表记录下铜盘自然冷却的温度变化
序号
1
2
3
4
5
6
时间间隔
温度（℃）
2、计算冷却速率和导热系数,列表如下
序号
铜盘温度℃
时间s
温差℃
冷却速率
w/㎡
导热系数
w/m·℃
T1
T2
Δt
ΔT′
1
2
3
4
3、绘制λ——t曲线。
六、思考题
1、下铜盘散热速率等于待测物B导热速率的条件是什么？
2、热电偶插入铜盘上的小孔时为什么要抹上些硅脂？
3、怎样判断导热进入准稳定状态？
4、用式2-9-9计算时，可否直接以电动势值代表温度值？
为什么？
实验六中温辐射黑度的测定
一、实验目的
1、巩固黑度的概念和辐射理论知识
2、用比较法定量地测定中温辐射时的黑度ε
二、实验原理
由n个物体组成的辐射换热系统中,利用净辐射法,可以求物体的净换热量。
根据本实验的设备情况,可以认为:
热源1、黑体腔体2为黑体；热源1、黑体腔体2、待测物体（受体）3的表面上的温度均匀
热源1
黑体腔体2
待测物体（受体）3
受体3的净换热量:
因为:
;
;
.又根据互换性
则:
（2）
由于受体3与环境主要以自然对流方式换热,因此:
（3）
：
待测物体（受体）温度
：
环境温度
由
（2）,（3）式可得:
（4）
当热源1和黑体腔体2的表面温度一致时,Eb1-Eb2并考虑到,体系1、2、3为封闭系统,则:
由此,（4）式可写成:
（5）
对不同待测（受体）a、b的黑度ε为:
；
设
则
（6）
当为黑体时,
（6）式可写成
三、实验装置
热源腔体具有一个测温热电偶,传导腔体有二个热电偶,受体有一个热电偶,它们都可以通过琴键转换开关来切换.
本仪器用比较法定量地测定物体的黑度,具体方法是通过三组加热器电压的调整（热源一组,黑体腔体二组）,使热源和黑体腔体的测温点稳定在同一温度上,然后分别将“待测”（受体为待测物体,具有原来的表面状态）和“黑体”（受体仍为待测物体,但表面薰黑）两种状态的受体在相同的表面温度条件下，分别测出受到辐射后的受体温度，就可按公式计算出待测物体的黑度.
四、实验步骤
1、将热源腔体和受体（使用具有原来表面状态的物体作为受体）靠紧黑体腔体
2、接通电源、调整热源、黑体腔体左和右的调温旋钮，加热约４０分钟左右，使其三点温度尽量一致．
3、系统进入恒温后（各测温点基本接近，且在五分钟内各点温度波动小于３℃），开始测试受体温度，当受体温度变化小于３℃/分钟，记下第一组数据。
4、取下受体，将受体冷却后，用松脂（带有松脂的松木）或蜡烛将受体薰黑，然后重复以上实验，测得第二组数据。
5、注意事项
１）热源及腔体的温度不宜超过200℃
２）每次做原始状态实验时,用汽油或酒精将待测物体表面擦净,否则,实验结果将有较大出入.
五、实验数据记录和处理
1、实验数据记录，填写下表：
℃
热源
腔体1
升级会员 