热工实验指导书2.docx
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热工实验指导书2
实验一理想气体比热比的测定
一、实验装置图
图1实验装置图
1．测压计2．气体容器3．洗耳球4．连接软管5．阀门
二、实验原理
刚性容器中的理想气体在绝热放气过程中，容器内剩余气体经历的过程可视为定熵过程。
原因说明如下：
理想气体状态方程:
PV=m
T
其微分方程可以表示为:
对于刚性容器
=0，故上式变形为:
（1）
由开口系统能量方程
对于实验装置
=0
=0
=0
上式中：
＝－
因此:
（2）
将
（2）带入
（1）:
积分有:
（3）
将理想气体状态方程:
Pv=
T带入（3）式消去T，可以得到
（4）
（4）式其实就是理想气体定熵过程的过程方程式，故刚性容器绝热放气时，剩余气体经历的是定熵过程:
（5）
若气体再经历一个闭口系统中的定容吸热过程2-3，并使
由于
可以得到
（6）
考虑到
，（5）（6）式联立后有：
故
（7）
通过以上分析可以看出让刚性容器中的理想气体先经历一个绝热放气过程，再让剩下的气体经历一个质量不变的定容过程，并让气体末状态的温度与实验开始时气体的温度相同，那么只需要分别测定实验开始时、放气之后、实验末状态三个状态的压力即可得到理想气体比热比k的值.
三、实验方法与步骤
1．测定并记录环境温度t0，环境压力p0；
2．用洗耳球3向容器2中充入气体，观察测压计1使容器中的压力p1略高于p0，温度t1等于t0，为使两个温度达到相同，进行该操作后需等待3分钟再记录p1；
3．打开阀门5，慢慢放出一些气体，当容器中压力p2等于p0后关闭阀门5；
4．等待5分钟使容器中气体温度升高到t0，记录此时压力p2；
5．重复以上步骤，再做一次。
四、实验数据记录表.
编号
t0（℃）
p0
（mmHg）
p1（mmH2O）
p2（mmHg）
p3（mmH2O）
k
1
2
3
4
五、实验数据处理
通过记录的数据计算气体的比热比，取两次结果的算术平均值作为最后结果。
并与教材中的实际值进行对比，计算误差，并分析误差产生的原因。
实验二喷管实验
一、实验装置
图1实验装置图
1.进气管2.吸气口3.孔板流量计4.压差计5.渐缩或渐放喷管6.支架
7.测压探针8.可移动真空表9.手轮螺杆机构10.背压真空表
11.背压调节阀12.真空罐13.接真空泵管
二、实验步骤
（一）渐缩喷管
1．装上渐缩喷管，使测压探针位于喷管入口处。
2．测量并记录室内大气压力Pa和温度T。
3．打开阀门11，启动真空泵，使测压探针位于喷管入口处，向右慢慢移动测压探针至喷管出口处，观察过程中喷管各截面压力变化，并选取记录表中X所示位置记录压力值大小。
4．改变阀门11开度，使真空罐真空度分别处于不同压力，重复步骤3将实验做4次。
（二）缩放喷管
1．装上缩放喷管，使测压探针位于喷管入口处。
2．测量并记录室内大气压力Pa和温度T。
3．打开阀门11，启动真空泵，改变阀门11开度使真空罐真空度在620mmHg左右，向后慢慢移动测压探针至喷管出口处，观察过程中喷管各截面压力变化，并选取记录表中X所示位置记录压力值大小。
4．参照步骤3，逐渐增大阀门11开度提高真空罐绝对压力做5次。
三、实验数据记录和整理当地大气压Pa=Mpa室温T=℃
4
3
2
1
编号
压差计读数
△P（mmH2O）
背压（真空罐真空度）Mpa
0
0
0
0
X
cm
位置1
P
Mpa
0.5
0.5
0.5
0.5
X
cm
位置2
P
Mpa
1
1
1
1
X
cm
位置3
P
Mpa
1.5
1.5
1.5
1.5
X
cm
位置4
（一）渐缩喷管实验记录表
P
Mpa
2
2
2
2
X
cm
位置5
P
Mpa
2.5
2.5
2.5
2.5
X
cm
位置6
P
Mpa
3
3
3
3
X
cm
位置7
P
Mpa
3.25
3.25
3.25
3.25
X
cm
位置8
P
Mpa
3.5
3.5
3.5
3.5
X
cm
位置9
P
Mpa
当地大气压Pa=Mpa室温T=℃
5
4
3
2
1
编号
压差计读数
△P（mmH2O）
背压（真空罐真空度）Mpa
0
0
0
0
0
X
cm
位置1
（二）缩放喷管实验记录表
P
Mpa
0.25
0.25
0.25
0.25
0.25
X
cm
位置2
P
Mpa
1
1
1
1
1
X
cm
位置3
P
Mpa
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
X
cm
位置4
P
Mpa
2
2
2
2
2
X
cm
位置5
P
Mpa
2.5
2.5
2.5
2.5
2.5
X
cm
位置6
P
Mpa
3
3
3
3
3
X
cm
位置7
P
Mpa
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
X
cm
位置8
P
Mpa
四、实验数据处理
以X为横坐标，喷管中绝对压力为纵坐标，在坐标纸上绘制出沿流动方向喷管中压力的变化曲线，并结合教材阐述不同曲线代表的意思。
实验三二维温度场电模拟实验
一、实验原理：
导热与导电虽然是不同性质的物理现象。
但对于导体而言，窥其导热、导电的机理，则都是由于大量自由电子运动的结果，从热流和电流的计算公式来看，它们也是十分相似的。
平壁导热公式：
式中λ一物体的导热系效［w／（m·℃）］。
δ一物体的厚度［m］。
A一物体的导热面积［m2］。
欧姆定律：
这就为我们的电热类比法的最初产生提供了启示和依据。
由此，也为我们解决多维的导热问题，在精确的解析法与近似的数值解法之外，又找到了一种电模拟的实验方法。
各向同性材料的无内热源的两维稳态温度场的电模拟法，可分为连续式和网络式两种。
连续式就是用连续介质（如：
导电液或导电纸）作为实验模型；而网络式就是由电阻元件焊接成的电阻网络板作为实验模型。
下面我们着重介绍后者的实验原理以及对温度场各种边界条件的电模拟方法。
首先，电阻网络板与正方形网格化后的实际温度场（即电～热系统）之间，必须几何相似，这是前提。
然后，由稳定导热的数值解法可知。
如图1a所示，对于无内热源的二维稳态温度场，其内部节点方程式是：
（T1+T2+T3+T4）－T0=0
（1）
在电阻网络板上，设其对应的内部节点四周的电阻分别为：
R1、R2、R3、R4。
在稳态时，由电学中基尔霍夫定律可知：
如果在焊接电阻网络板时，如图1b所示，人为地使R1=R2=R3=R4。
则可得：
（V1+V2+V3+V4）-4V0=0
（2）
可见，公式
（1）、
（2）在数学形式上是完全相同的。
它说明：
电阻网络板中的电位分布与温度场中的温度分布具有完全相同的规律性。
这样，我们就可用测量电阻网络板中各节点电位的方法，而达到了解网络化温度场中各对应节点温度的目的，这也就是温度场电摸拟实验的基本原理。
但是，二维温度场除了内部节点之外，还有各种条件（如：
等温，绝热，对流换热等）的边界节点。
而且边界条件的不同，对温度场中的温度分布影响极大。
因此，还必须设法对这些不同性质的边界条件能够分别地进行模拟，才能够达到电～热系统间电位分布与温度分布的真正完全类似。
1等温边界条件的电模拟：
将等温边界处的各节点彼此间用导线短接（相当于一个电位），实验时用稳压直流电源使该处保持稳定的电位。
这样就完成了用等电位边界对等温边界的模拟。
温差与电位差之间的换算比例系数ct，根据情况，由自己选定。
2绝热平直边界条件的电模拟：
如图2（a）所示，建立边界节点热平衡方程。
节点网络等步长划分Δx＝Δy=δ，Δz＝1
整理可得：
（2T1十T3＋T4）一4T0＝0（3）
电模拟网络如图2（b）所示。
由电流定理可知：
若设R3＝R4＝2R1；
则可得：
（2V1十Ⅴ3＋V4）一V0＝0（4）
可看出式（3）、（4）在形式上完全相同，所以对于绝热的平直边界条件，只要在制作电阻网络板时，使R3＝R4＝2R1，即可完成模拟。
3对流平直边界条件的电模拟：
如图3（a）所示是对流平直边界。
设对流换热系数为α［W／（m2·℃）］，流体温度为T0，若用上述的方法，可得其节点方程为：
—c1T0＋c2Tf＋（2T1＋T3＋T4）/2＝0
式中：
同理可证，在如图3（b）所示的电阻网络图中，只要使
R3＝R4＝2R1，R2＝[λ/（αδ）]R1
即可使对流平直边界条件得到模拟。
对于其它非平直的各种条件的边界节点，亦可用同样的方法得到其节点方程式，然后建立模型和选取电阻。
这样，我们就可根据各种不同的情况来制作电阻网络板了。
通过实测板中各节点的电位，而了解相应的温度场中的温度分布。
该模拟板装置实际上充当了专用计算机的作用。
即相当于用模拟实测的方式代替了计算机数值解的演算过程。
现在的实验为模拟炉墙转角温度场，炉墙内外表面为定温边界。
炉墙横截面尺寸如图4所示。
材料的导热系数λ＝0.53［W／（m·℃）］，并划分成边长为0.2m的正方形网格。
试分别求出定温边界条件：
（1）t2＝75℃，t1＝0℃；
（2）t2＝450℃，t1＝50℃时的各节点温度。
换算公式为在实验原理中提到的
。
二、实验步骤：
1．按照网格化后的温度场制作电阻网络板。
2．按图5所示，接好线路。
3．经检查无误后，起动直流稳压电源，并调整到所需要的电压。
注意：
为了防止电阻网络过载，直流稳压电源的输出电压不得超过10V。
4．把万用电表的测量开关放在直流电压档上，并注意使电表的量程与所测电压的范围相对应。
5．用万用表依次测量各节点的电位，填入附表中该节点处的圆圈里；并把它们换成相应节点的温度值后，填入附表中该节点处的圆圈里。
三、实验记录图
四、数据处理图
t2＝75℃，t1＝0℃
t2＝450℃，t1＝50℃
实验四自然对流换热实验
一、实验装置
1—电源引出线，2—电源引出孔，3—聚苯乙稀泡沫，4—实验管段，5—电加热器
二、实验原理
对铜管进行电加热，铜管外壁以对流换热和辐射换热两种方式将热量传递给空气，所以对流换热量应是总热量与辐射换热量之差，即：
Q=Qr+Qc=IV
Qc=αF（tw-tf）
Qr---------辐射换热量；
Qc---------对流换热量
I---------电流强度
V---------电压
ε---------实验管表面黑度
C0---------黑体的辐射系数
Tw---------管壁平均温度
Tf---------室内空气温度
α---------自然对流换热系数
对于自然对流换热，努谢尔特数Nu是葛拉晓夫数Gr和普朗特数Pr的函数，即：
Nu=f（Gr，Pr）
可以表示为：
Num=c（Gr×Pr）mn
其中Num=αd/λmGrm=gβm（tw－tf）d3/νm2
而c、n则是需要通过该实验确定的，这就是该实验的目的。
为确定c、n，采用了四根尺寸和加热功率各异的实验管，将实验中得到的数据经过处理后可求得四组准则数，在双对数坐标纸上以Num为纵坐标、（Gr×Pr）mn为横坐标将四组数据标出，画出一条直线，使大多数点落在这条直线上或周围两侧。
根据上面的公式lgNu=lgc+nlg（Gr×Pr），则这条直线的斜率为n，截距为c。
（若采用的是一般的直角坐标纸，则将Num、（Gr×Pr）mn取对数之后和以上类似做法绘制出一条直线，这条直线的斜率为n，截距为lgc。
）
三、实验方法与步骤
1．按电路图接好线路，经指导老师检查后接通电源；
2．调节调压器，对实验管进行加热；
3．稳定六小时后开始测管壁温度，记录数据；
4．间隔半小时后再记录一次，直到两组数据接近为止；
5．把两组接近的数据取算术平均值，作为计算依据；
6．记录温度计指示的空气温度。
四、实验数据记录
1．已知数据：
管径和允许电功率d1=20mmP1=300Wd2=40mmP2=600W
d3=60mmP3=800Wd4=80mmP4=1200W
管长L1=1000mmL2=1200mmL3=1600mmL4=2000mm
C0=5.67W/（m2×K4）黑度ε1=ε1=ε3=0.15ε4=0.11
2．测量数据：
室内空气温度tf＝℃电压V＝V
管壁温度和电流强度:
编号
I（A）
T1（℃）
T2（℃）
T3（℃）
T4（℃）
T5（℃）
T6（℃）
T7（℃）
T8（℃）
备注
1
各管测温点数量不同
2
3
4
五、实验数据处理
根据所测管壁温度求出管壁温度平均值tw，计算加热器的热量Q=I·V（W）
1．求对流换热系数
2．查出物性参数：
定性温度取空气热边界层平均温度tm=（tw+tf）/2，在教材的附录中查得空气的各物性参数。
3．计算准则数
把得到的有关数据带入准则数定义中可得准则数Num和（Gr×Pr）。
4．确定c和n
把对应的数据标在双对数坐标纸上，绘制出一条直线，使大多数点落在这条直线上或周围两侧，由绘制出的直线得到该直线的斜率和截距，进而求出c和n。
下一页为实验数据计算表，数据整理时，将各数据填入，计算完毕后绘制实验曲线，计算c和n，与教材中水平圆管自然对流的实际c、n值进行比较，并计算误差，分析误差产生的原因。
计算表
实验管
项目
1
2
3
4
tw
Tw
tf
Tf
tm
λm
βm
νm
Prm
Q
F
ε·C0
α
Num
Grm
（Gr·Pr）m
实验五强迫对流换热实验
一、实验装置
实验的翅片管束安装在一台低速风洞中——实验装置和测试仪表如图1所示。
有机玻璃风洞由带整流隔栅入口段，整流丝网、平稳段、前测量段、工作段、后测量段、收缩段、扩压段等组成。
工作段和前后测量段的内部横截面积为300mm×300mm。
工作段的管束及固定管板可自由更换。
试验管件由两部分组成：
单纯翅片管和带翅片的试验热管，但外形尺寸是一样的并采用顺排排列，翅片管束的几何特点如表1所示。
表1翅片管束的几何特点
翅片管内径
翅片管外径
翅片高度
翅片厚度
翅片间距
横向管间距
纵向管间距
管排数
Di
Do
H
δ
B
Pt
Pl
N
mm
mm
mm
mm
mm
mm
mm
排
20
26
13
1
4
75
83
7
4根试验热管组成一个横排，可以放在任何一排的位置上进行实验。
一般放在第3排的位置上，因为实验数据表明，自第3排以后，各排的对流换热系数基本保持不变了。
所以，这样得到的对流换热系数代表第3排及以后各排管的平均对流换热系数。
试验热管的加热段由专门的电加热器进行加热，电加热器的电功率由电流、电压表进行测量。
每一支热管的内部插入一支铜-康铜铠装热电偶用以测量热管内冷凝段的蒸汽温度Tv。
电加热的箱体上，也安装一支热电偶，用以确定箱体的散热损失。
热电偶的电动势由UI60型电位量计进行测量。
空气的进出口温度用温度计进行测量，入口安装一支，出口安装两支。
空气流经翅片管束的压力降由倾斜式压差计测量，管束前后的静压测孔均布在前后测量段的壁面上。
空气流速度和流量由安装在收缩段上的毕托管和倾斜式压差计测量。
二、实验原理
1．翅片管是换热器中常用的一种传热元件，由于扩展了管外传热面积，故可使光管的传热热阻大大下降，特别适用于气体侧换热的场合。
2．空气横向流过翅片管束时的对流换热系数除了与空气流速及物性有关以外，还与翅片管束的一系列几何因素有关，其无因次函数关系可表示如下：
Nu=f（Re,Pr,H/D0,δ/D0,B/D0,Pt/D0,Pl/D0,N）
（1）
式中：
Nu=α·D0/λ
Re=D0·Um/ν
Pr=ν/a=cp·μ/λ
D0为光管外径，Um为最大流速，ν为运动粘度
此外，对流换热系数还与管束的排列方式有关，有两种排序方式：
顺排和叉排。
由于在叉排管束中流体的紊流度较大，故其管外对流换热系数会高于顺排的情况。
对于待定的翅片管束，其几何因素都是固定不变的，这时，式
（1）可简化为：
Nu=f（Re,Pr）
（2）
对于空气，Pr数可以看作常数，故
Nu=f（Re）（3）
式（3）可以表示成指数方程的形式
（4）
式中，C、n为实验关联式的系数和指数。
这一形式的公式只适用于特定几何条件下的管束，为了在实验公式中能反映翅片管和翅片管束的几何变量的影响，需要分别改变几何参数进行实验并对实验数据进行综合整理。
3．对于翅片管，管外对流换热系数采用光管外表面为基准定义对流换热系数，即：
（5）
式中：
Q为总放热量（W），n为放热管子的根数，πD0L为一支管的光管换热面积（m2），Ta为空气平均温度（℃），Tw0为光管外壁温度（℃）。
4．如何测求翅片管束平均管外对流换热系数α是实验的关键。
如果直接由（5）求，则需要Tw0，测量有一定难度。
所以采用另一种方法，先得到传热系数，然后从传热热阻中减去已知的各项热阻。
即：
（6）
应当注意，式（6）中的各项热阻都是以光管外表面积作为基准的。
式中：
K为翅片管的传热系数，可由实验求出
（7）
其中：
Tv代表管内流体的平均温度。
αi是管内流体对管内壁的对流换热系数，可由已知的传热规律计算出来：
Rw由管壁的导热公式计算之。
5．为了保证αi有足够大的数值，一般实验管内需要采用蒸汽冷凝放热的换热方式。
本实验系统中，采用热管作为传热元件，将实验的翅片管，做成热管的冷凝段，即热管内部的蒸汽在翅片管内冷凝，放出汽化潜热，透过管壁，传出翅片管外，这就保证了翅片管内的冷凝过程。
这时，管内放热系数αi可用下面的公式计算，即：
（8）
式中，
（9）
为单位冷凝宽度上的凝液量（kg/（s×m）），其中：
r为汽化潜热（J/kg），Di为管子内径，式（8）中第二个括号中的物理量为凝液物性的组合。
圆筒壁的导热热阻为
（10）
三、实验方法与步骤
1．熟悉实验原理，实验设备；
2．检查测温、测速、测压等各仪表，使其处于良好工作状态；
3．接通电加热器电源，将电功率控制在2~3KW之间，预热5~10分钟后，开动引风机。
注意：
引风机需在空载或很小的开度下启动；
4．调整引风机的阀门，来控制实验工况的空气流速，一般空气风速应从小到大逐渐增加，实验中根据毕托管压差读值，可改变6~7个风速值，这样，就有6~7个实验工况；
5．每一个实验工况下，待确认设备处于稳定状态后，进行所有物理量的测量和记录，将测量的量整齐地记录于预先准备好的数据记录表格中。
应注意：
当所有工况的测量结束以后，应先切断电加热器电源，待10分钟后，再关停引风机。
四、实验数据的处理
数据的整理可以按下列步骤进行：
1．算风速和风量
测量截面积的风速
（11）
风量：
Ma=U测×F测×ρ测
其中：
测量截面积F测=0.075×0.3m2，测量截面处的密度ρ测根据理想气体状态方程由出口空气温度Ta2确定。
2．空气侧吸热量：
（12）
3．电加热器功率：
4．加热器箱体散热。
因箱体温度很低，散热量小，可由自然对流计算
此处，αc为自然对流换热系数，可近似取αc=5W/（m2·℃）进行计算；Fb为箱体散热面积，Tw为箱体温度，To为环境温度。
5．计算热平衡误差
（13）
6．计算翅片管束最大流速
F窄由表1参数确定。
7．计算Re数
8．计算传热系数
（14）
9．计算管内凝结液膜对流换热系数
可由式（8）进行计算，并且对于以水为工质的热管，液膜物性值都是管内温度TV的函数，因此，式（8）可简化为：
（15）
10．计算管壁热阻RW，由式（10）计算
11．由式（6）计算管外对流换热系数α
12．计算
13．在双对数坐标纸上标绘Nu-Re关系曲线，并求出其系数和指数。
也可由计算机程序求Nu-Re的回归方程。
此外，空气流过管束的阻力
一般随Re数的增加而急剧增加，同时，与流动方向上的管排数成正比，一般用下式表示
（16）
式中：
f为摩擦系数，在几何条件固定的条件下，它仅仅是Re数的函数，即：
（17）
式（17）中的系数c和指数m可以由实验数据绘在双对数坐标纸上确定。
6
5
4
3
2
1
序号
管束情况（排列方式、第几排）
数据记录表
电
流
I
电
压
V
功
率
W
TV1
℃
管内温度
TV2
℃
TV3
℃
TV4
℃
平均TV
℃
流速
压头
Δh
mm
水柱
阻力
Δp
mm
水柱
入口气温T1℃
出口气温T2℃
室内
温度
T0
℃
箱外
温度
Tw
℃
6
5
4
3
2
1
序号
空气
流速U测m/s
质量
流量Makg/s
雷诺数
Re
空气
吸热量
Q1（W）
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