《传热学》课程实验指导书解析.docx
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《传热学》课程实验指导书解析
《传热学》课程
实验指导书
袁守利编
汽车工程学院
2013年10月
前言
1.实验总体目标、任务与要求
培养本科生对涉及到热传播现象的工程问题进行实验研究的兴趣，并能对实验技术、数据采集系统、基本数据处理方法有所了解。
学习实验研究和整理实验数据的理论基础及其应用于传热实验的基本技能；初步掌握测温、测热、测流量的基本方法。
2.适用专业
热能与动力工程
3.先修课程
《传热学》相关章节。
4.实验项目与学时分配
序号
实验项目名称
实验（上机）学时
每组人数
实验（上机）类型
开出要求
实验（上机）一
稳态球体法测粒状材料的导热系数实验
2
8——10
验证
必做
实验（上机）二
蒸汽冷凝时传热系数和给热系数测定实验
2
8——10
验证
必做
5.实验改革与特色
根据实验内容和现有实验条件，在实验过程中，采取学生自己动手和教师演示相结合的方法，力求达到较好的实验效果。
实验一稳态球体法测粒状材料的导热系数
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所示球壁的内径直径分别为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=t1
r=r2t=t2图1原理图
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/m·℃（3）
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。
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
本体由两个厚1~2mm的紫铜球壳1和2组成，内球壳外径d1，外球壳内径d2，在两球壳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，内壳中装有电加热器，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。
外球壳的散热方式一般有两种：
一种是以空气自由流动方式（同时有辐射）将热量从外壳带走；另一种是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液套球。
保温液套与稳态平板法一样，利用球体导热仪的设备亦可测量材料的导温系数。
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。
对于有恒温液套冷却的导热仪，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。
将测量结果标绘在以λ为纵坐标、f为横坐标的图上。
按λ=λo（1+bt）整理，确定λo及b值，进一步计算实验点与代表线之间的偏差及实验中的各项误差。
四、思考问题
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．对于以空气自由流动冷却的球体，试按测得的数据，计算圆球表面自由对流换热系数（从加热功率中减去表面辐射散热量，即为自由对流换热量。
辐射散热量的计算方法可参见相关教材）。
9．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？
实验二蒸汽冷凝时传热系数和给热系数测定
一、测试装置简介
1.测定装置整体组装，带脚轮，用户接电源和上、下水后即可使用。
2.可测蒸汽在水平管内冷凝（管外为自来水）时的传热系数和给热系数。
其工作原理及流程如图所示。
3.管子的内壁面温度用事先埋好的三支热电偶（轴向均布）测量。
4.电热蒸汽发生器总功率为9KW，最大工作压力为0.08MPa。
此蒸汽源亦可通过阀10—1供其它试验使用。
试验装置流程图
1.蒸汽发生器2.电接点压力表3.安全阀4.汽水分离器5.热电偶
6.压力表7.试验管组8.凝结水液位保持器9.过冷器10.阀门11.计量水箱10-12.文丘里流量计（非计算机接口无此装置）
二、测试装置安装使用
（一）、设备安装及试验准备
1.接电源（380V，四线,50Hz,9KW）及上下水（均可胶管连接）。
2.打开阀10—7，从蒸汽发生器底部上水管（兼排污管）向炉体内加自来水至液面计4/5处。
加水时还应打开10—2和阀10—3，以便炉体内的空气能够排出，加完水后关闭阀10—7。
3.当用计算机进行采集时，将数据通讯线与计算机闲置的串口（RS232C）正确连接，并测试其有效性。
4.全开蒸汽发生器电加热器，待炉内水开始沸腾并将炉体空间大部分空气从阀10—3处排出后，关闭该阀。
5.待蒸汽压力达到试验压力后，打开阀10—4，使系统内空气全部被蒸汽压出后关闭此阀。
6.试验管内的蒸汽压力可自动控制，此时将电接点压力表高低压控制指针分别调至试验压力±0.01MPa处（视试验精度要求，此范围可适当放大或缩小）。
试验管内的蒸汽压力亦可利用阀10—2手动调节，此时应将电接点压力表控制指针调至稍高于试验压力，高压控制指针调至比低压控制指针高0.02MPa左右处，但不得超过蒸汽发生器最大使用压力。
7.全开阀10—6，向试验管组全程供自来水，并视试验工况要求，利用阀10-5调节自来水流量。
8.视工况所需蒸汽量，适当改变手控加热开关个数，并利用自控加热档（由电接点压力表控制），实现对蒸汽发生器蒸汽压力的控制，使之在试验压力附近上下波动）。
9.微开阀10—3，使汽水分离器中分离出来的水能够流出。
10.待凝结水水位达到保持器8上水位计的某一固定位置后，打开并适当调节阀10—4，使水位在试验过程中始终保持不变。
待工况稳定后即可进行测试。
（二）、测试方法
1.试验管内蒸汽压力用压力表测量。
2.蒸汽进口温度、凝结水温度、自来水进出口温度以及试验管内壁面温度均用E型热电偶配数显温度表测量。
也可用电位差计（用户自备）测量。
3.凝结水和自来水流量用计量水箱配秒表（用户自备）测量。
当凝结水量较少时，为了缩短计量时间亦可用量杯（用户自备）配秒表测量。
4.每隔2—5分钟读取一次数据，取四次读数的平均值为计算值。
当凝结水量较少时，可取全试验过程累计流量为计算值。
5.试验完毕后，关闭电加热器开关，等水蒸气压力表降下后，关闭阀10—6、10—4、10—3等全部阀门，切断电源。
（三）、测试数据整理
1.蒸汽凝结放热量Q1=Gz（iz－in）[w]
2.冷水获热量Q2=Gs（i2－i1）[w]
3.平均热量Q=（Q1－Q2）／2[w]
4.热平衡误差Δ=（Q1－Q2）／Q×100%
5.总传热系数
[w/m2℃]
6.蒸汽冷凝放热系数α=
[w/m2℃]
式中：
Gz,Gs—蒸汽（凝结水）和冷水流量[Kg/s]
iz,in,i1,i2—蒸汽、凝结水和冷水进出口状态下的焓[J/Kg]
F,F’—传热管外和内表面积[m2]
—传热温差[℃]
T1,T2—蒸汽进口温度和凝结水温度[℃]
t1,t2—冷水进出口和出口温度[℃]
实验报告表格
传热管长：
L=0.58m；传热管外径：
D=0.02m；
传热管内径：
d=0.016m；
序号
蒸
汽
压
力
蒸汽温度
冷水进口温度
冷水出口温度
传热管内壁温度
对数平均温差
凝结水流量
冷水流量
Tb1
Tb2
Tb3
平均
Ws
Ts
ρn
Gs
Ws
Ts
ρs
Gs
1
2
3
平均
计算结果
蒸汽凝结放热
冷水吸热量
平均传热量
热平衡误差
传热管外表面积
传热管内表面积
总传热系数
蒸汽冷凝放热系数
蒸汽焓
冷凝水焓
Q1
（W）
进水焓
出水焓
Q2
（W）
《传热学》课程
实验报告
实验名称：
_______________
课程名称：
_______________________
学生姓名:
专业班级：
学号：
指导教师:
实验（上机）日期:
成绩：
汽车工程学院
一、实验目的及要求
本次实验（上机）所涉及并要求掌握的知识点。
二、实验条件
说明实验（上机）所使用的器件、仪器设备名称及规格、主要耗材的品种与数量；或者对实验（上机）室、机房、服务器、打印机、投影机、网络设备等配置及数量要求。
三、实验原理
四、实验方法与步骤
五、实验数据或现象记录
根据具体实验，设计相应的记录表格或格式。
主要记录原始数据、过程数据、过程现象及结果数据（现象）等。
六、实验结果与分析结论
根据具体实验，进行数据处理与分析，整理、打印相应数据表格、绘制曲线、图形等。
对实验结果进行报告。
七、讨论与提高（不少于300字）
对实验现象、实验故障及处理方法、实验中存在的问题等进行分析和讨论，对实验的进一步想法或改进意见，或者心得体会。
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