同济大学传热学实验报告.docx
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同济大学传热学实验报告.docx
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上海同新机电控制技术有限公司CAN-Bridge
课程编号:
042100 实验教学资料
传热学
类别
内容
关键词
实验教学管理、实验项目
摘要
本文为实验项目的相关教学资料
教学组长
蔡炜
中心主任
臧建彬
CAN-Bridge模块设计说明 V1.1
ii
Date:
2010-5-26CopyrightByShanghaiTongXinMechatronicTech.Co.Ltd.
机械与能源工程学院
修订历史
文档版本
时间
撰写人
备注
实验项目教学资料V1.0
2013.07.10
第一次整理完成
实验项目教学资料V2.0
2013.12.25
第二次整理完成
实验项目教学资料V3.0
2014.02.25
第三次整理完成
实验教学资料V3.0
Date:
2014-02-2532CopyrightByTongjiUniversity
机械与能源工程学院
实验教学资料管理
管理内容&目标
l教学大纲、实验指导书
附后
l实验安全控制
本系列实验执行实验中心2级安全防护措施
l实验设备管理
实验设备由本实验项目的实验教师进行维护、保养
l实验发展规划
实验设备部分老化和陈旧,可以尝试更新和改善配套实验系统。
可尝试为机械相关专业开设相关实验课程
管理人员组织
总控
监控
执行
管理方法
监控
执行
《传热学》课程教学实验大纲
课程编号:
042100学分:
4总学时:
68实验学时:
10
大纲执笔人:
刘叶弟大纲审核人:
张恩泽
一、课程性质与目的
课程性质:
专业基础(C1)。
课程实验教学是本课程必须的教学环节。
以实验教学为本,要求学生掌握本课程实验的基本技能。
完成课程实验的实验项目。
二、课程面向专业
建筑环境与设备工程专业。
三、实验基本要求
了解各种传热学实验装置的基本原理和构造、掌握传热学中常用的测试仪器仪表的应用、对实验数据能正确地计算和处理。
四、实验或上机基本内容
实验基本内容:
传热学实验的基本原理和方法、常用的测试仪器仪表的应用、数据处理方法。
五、实验内容和主要仪器设备与器材配置
序号
实验项目
内容提要
实验类别
每组人数
实验学时
主要设备与器材
设备复套数
主要消耗材料
所在实验室
验证
综合
设计
0005010200010
圆球法测定材料导热系数
在稳定传热情况下,利用圆球模型测定颗粒状材料的导热系数,并用图解法确定导热系数与温度间的关系。
√
6
2
圆球导热模型,测温仪表,电源,计算机数据采集系统。
2
热电阻
能源工程实验中心
0005010200020
平板绕流换热系数的测定
利用空气横掠平板时的换热现象,测量有关的热工参数和电气参数,计算相应的准则数。
√
6
2
平板绕流换热实验装置、电位差计、倾斜式压力计、稳压电源
2
热电耦
橡皮管
温度计等
能源工程实验中心
0005010200030
横管的自由流动换热
利用多根尺寸不同的横管,测定横管在自由流动情况下有关的热工参数和电气参数,计算出对流放热系数,并将实验数据处理成准则关系式。
√
6
2
横管自由流动模型,稳压电源,温度和电量传感器,计算机数据采集系统。
2
热电阻
能源工程实验中心
0005010200070
热流测量
用热流密度计测量通过物体的热流密度
√
6
2
恒温箱,热流密度计,热电偶,电位差计
1
热电偶
能源工程实验中心
0005010200080
黑体辐射试验
用比较法定性测量中温辐射时物体黑度
√
6
2
常温法向黑度测试仪
2
被测试样
能源工程实验中心
六、实验预习和实验报告的要求、考核方式
要求学生在实验课前预习实验指导书,按实验指导书要求独立完成实验报告。
指导教师批阅实验报告并作记录,作为实验课成绩评定依据。
七、前修课程要求
(见《传热学》课程教学大纲)。
八、学时分配
序号
内容
学时安排
小计
理论课时
实验课时
习题课时
上机课时
1
测定颗粒状材料的导热系数
2
2
2
测定平板绕流换热系数
2
2
3
测定横管在自由流动的对流放热系数
2
2
4
热流测量
2
2
5
黑体辐射试验
2
2
总计
10
10
九、教材、实验指导书与主要参考书
课程教材名称
1.传热学.
实验指导书名称
1.传热学实验指导书.
实验一圆球法测定材料导热系数
一、实验目的
1.掌握在稳定传热情况下,利用圆球法测定粒状材料导热系数的方法
2.确定材料导热系数与温度之间的线性关系
二、实验原理
本实验利用在稳定传热情况下,以球壁导热公式作为基础来求得粒状材料的导热系数λ。
傅里叶定律用于球体稳定导热时:
Q=-λAdtdr=-λ4πr2dtdr(式1-1)
对于大多数材料来说,在一定的温度范围内可以认为导热系数与温度成线性关系。
λ=λ01+bt(式1-2)
式中:
λ0—0℃时材料的导热系数;W/m∙℃;
b—比例常数。
将(式1-2)代入(式1-1)得:
Q=-λ01+b∙t⋅4πr2∙dtdr(式1-3)
分离变量后积分得:
t+b2t2=Q4πλ0∙1r+C(式1-4)
当:
r=r1,t=t1时有:
t1+b2t12=Q4πλ0∙1r1+C(式1-5)
r=r2,t=t2时有:
t2+b2t22=Q4πλ0∙1r2+C(式1-6)
将上式消去C得:
t1-t2+b2t12-t22=Q4πλ0∙1r1-1r2(式1-7)
因此得到球体稳定导热时傅立叶定律的积分形式:
Q=2πλ01+b∙t1+t22t1-t21d1-1d2(式1-8)
令:
taν=t1+t22,λaν=λ01+bt1+t22=λ01+b∙taν,整理得:
Q=2πλaνt1-t21d1-1d2=πλaυt1-t2d1d2δ(式1-9)
式中:
λaν—试验材料在温度t1+t22时的导热系数,W/m•K;
δ—材料的厚度,mm,δ=d2-d12。
所以实验中测得的导热系数λaν即为内外表面平均温度下的材料导热系数。
λaν=Qδπd1d2t1-t2=IUδπd1d2t1-t2(式1-10)
式中:
I—电加热器的工作电流,A;
U—电加热器的工作电压,V。
如果需要求得λ和温度之间的变化关系,则必须测定在不同温度下的导热系数,然后线性回归法确定λ0、b,得到函数式λ=λ0(1+bt),此式是描述被测材料导热系数与温度之间的经验关系式。
实验点不能完全落在一条直线上,是由于λ(t)只是近似线性关系,其次实验误差也会引起偏差。
三、实验装置
本实验装置中,取四个温度工况。
为了便于学生实验,四个不同温度工况分别由四个相同的实验球体来实现,实验装置如图1.1所示。
每个实验球体由两个同心的空心球体组成,球壁均用紫铜板冲压成形,两球之间填充被测粒状材料。
内球外径d1=80.0mm,外球内径d2=160.0mm。
内球中间装有电加热器,加热功率由自耦式调压器调节。
加热电压和加热电流由变送器将数据送入数据采集系统。
当整个实验系统达到稳定后,电加热器产生的热量将全部通过中间的粒状材料传给外球壁,然后散入四周环境。
由于内外球壁表面的温度略有不同,因此,在内球壁外表面的顶部和底部分别布置热电偶a和b,取a、b两点温度的平均值作为球壁表面温度t1,同样测得外球壁内表面温度t2。
检验实验球体达到稳态的标志是:
各测点的温度不再随时间变化。
四个圆球在实验期间必须远离任何热源,并放置在空气温度稳定的房间内,同时避免对圆球周围的气流产生干扰。
图1.1实验装置简图
四、实验步骤
1.检查实验设备是否完好,确认后接通电源,检查仪表工作是否正常
2.根据被测材料选择加热量,导热系数小的材料应选择较小的加热功率,以免内球温度过高(不应超过200℃),损坏设备。
3.调节所需的功率,使四个球体分别处于四种不同的温度状态,开始实验。
每10min中记录一次数据,待前后两次各点温度数据基本不变时,判断系统达到稳定。
采用最后两次数据的平均值作为计算所用数据。
4.实验结束后,应先将加热器电压调至零位,然后再关闭总电源,以避免再次开启设备造成损坏。
五、实验数据的记录与处理
1.实验数据记录表如表1.2
表1.2实验数据记录表
內球外径d1:
80mm,外球内径d2:
160m,环境温度tf=℃,被测材料:
,材料密度ρ:
球号
内球外表面温度(℃)
外球内表面温度(℃)
电压U
电流I
ta
tb
t1
tc
td
t2
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
2.将各球的实验数据代入(式1-10)进行计算,求得被测材料在四个温度下的导热系数值,并填入表1.3中。
表1.3实验结果记录表
序号
平均温度℃
导热系数λW/m2℃
1
2
3
4
3.求得λ与t之间的经验公式λ=λ0(1+bt)中的λ0和温度系数b。
六、实验思考题
1、为什么球壳下部的温度没有上部高?
2、粒状材料的导热系数与密度、湿度和温度有何关系?
3、试写出圆球导热的微分方程式及其边界条件,并求出导热微分方程的定解。
4、试将实验中测定的结果与文献数据(可以参考杨世铭编写的传热学一书中的附录数据)相对比,是否在文献的数据范围内?
实验教学资料V3.0
Date:
2014-02-2546CopyrightByTongjiUniversity
实验二外掠平板换热系数的测定
一、实验目的
1.了解空气外掠平板时,沿平板表面的换热规律
2.学会测定空气外掠平板时的局部换热系数,并绘制有关线图,加深对对流换热的认识。
二、实验原理
根据对流换热的原理,空气外掠平板时,沿平板的局部换热系hx数可由下式决定:
hx=qxtx-tf(式2-1)
式中:
qx—物体表面某处的热流通量,;
tx—相应的表面温度,;
tf—空气的温度,。
在常热流边界条件下,空气外掠单侧绝热的平板时,沿板长的局部换热系数hx的改变,与壁温沿板长的变化有联系。
同时,平板还存在着沿板长方向的导热及与外界的辐射换热。
分析平板上金属薄片一微元长度dx的热平衡式(如图2.1所示)。
在稳定情况下,则有:
Qg+Qcdin=Qcdout+QcU+QR+Qcd(式2-2)
b
dx
δ
Qcdin
Qcd
QR
Qg
Qcdout
QcU
绝热面
图2.1微元片热平衡图
式中:
Qg—微元段dx的内热源(均匀分布)发热量,Qlbδlbδdx=Qlldx;
b、—微元段dx的宽、厚度,mm;
l—平板长度,mm;
Ql—平板内热源发热量,W。
Qcdin—沿板方向导入热量,-λsbδdtdxx;
Qcdout—沿板长方向导出热量,-λsbδdtdxx+dx;
QcU—对流传给空气的热量,hx(tx-tf)bdx;
QR—辐射散失的热量,εbdxσb(Tx4-Tf4);
Qcd—平板非对流面的导热量,(因为平板该侧绝热,该项为零。
)
将以上各项代入热平衡式,可得局部换热系数表达式:
hx=Qlbl+λsδd2tdx2-εσbTx4-Tf4tx-tf(式2-3)
上式中Ql、tx、tf均可测试得到,但由于壁温t随x变化,只能用作图法求d2tdx2值。
即先根据测得tx和x的对应值,绘出tx—x变化曲线,然后用作图法求该曲线的导数,即d2tdx2值,将此值代入上式,可计算x处的换热系数hx。
根据对流传热边界层理论,局部表面传热系数式
hx=0.332λxRex1/2Pr1/3(式2-4)
式中:
Rex—以x为特征长度的雷诺数,Rex=uxν
Pr—普朗特数。
上式可以改写为
hxxλ=0.332Rex1/2Pr1/3(式2-5)
此式等号前面为无量纲数,称为努塞尔数,记为Nux,上式可以转化为
Nux=0.332Rex1/2Pr1/3(式2-6)
为了得到整个平板的对流传热表面传热系数,计算不同x处的局部传热系数时所用的温差都是(tx-tf),因此可以直接将上式对从0到l做积分,可得
(式2-7)
最后可绘出局部努塞尔数Nux与雷诺数Rex的曲线来表示沿平板对流换热的变化规律。
三、实验装置
实验装置的本体由风源2和实验段风道3等构成(如图2.2)。
在有机玻璃风道3中间,插入一可滑动的由绝缘材料制成的平板4,在其中间纵向包覆一不锈钢片,构成一很薄的契形板,两侧对称。
在不锈钢片内表面设有热电偶6,沿纵向x轴不均匀地共布置22对热电偶,它们通过热电偶换接件与测量电位差计相联。
不锈钢片两端、端经电源导板13与低压电源连接。
由硅整流电源1供给低压直流电流,通过电源导板对不锈钢片通电加热,形成平板表面在常热流边界条件下工作。
在加热电路中串联一标准电阻5,用电位差计10经转换开关9测量电流流经标准电阻的电压降U,然后确定流过不锈钢片的工作电流I。
不锈钢片两端的电压降,经分压箱8和转换开关9,用电位差计10来测量。
为使测量系统简单,将测量金属片壁温t热电偶的参考点(冷端7)置于空气流中,所以电偶反映的是金属片壁温t与空气温度tf之差的热电势E(t,tf)。
通过倾斜式微压计11测量掠过平板的气流动压,以确定空气流速。
1.风源;2.试验段风道;3.平板试件;4.毕托管;5.斜管微压计6.低压直流电源;
图2.2测定空气外掠平板时局部换热系数的实验装置及测量系统
四、实验步骤
1.了解和熟悉整个试验装置的各个部件及仪表,严格按照设备使用说明进行操作。
2.对风机、硅整流电源进行检查,使之处于准备阶段,并将风门关闭以及电源调节手柄旋转至零位。
将试件装入玻璃风道内,毕托管安装好。
按照图8-2将测量系统的线路接好。
3.启动风机,调节风门到适当的位置,将平板调整到适当的位置上。
接通电源,并逐步提高输出电压,对平板缓慢加热。
为保证不至于损坏试件、又能达到足够的测温准确度,不锈钢片表面温度控制在80℃以下。
4.待稳定后开始测量,从板前缘开始按热电偶编号,用电位差计逐点测出其温差势E(tx,tf)。
测量过程中加热电流、电压变动较小,可选测几组。
5.试验结束时,先关掉硅整流电源,将调节手柄恢复到零位,再将风机门开到最大位置,等试件冷却后再把风门关掉。
五、实验数据的记录和处理
1.实验数据记录
表2.1实验数据记录表
平板长度
金属带宽度
散热面积
电流
电压
来流动压
来流温度
l
b
F=2bl
I
U
Δh
tf
m
m
m2
mV
A
mV
V
mmH2O
℃
0.33
0.065
xmm
物理量
0
0
2.5
5
7.5
10
15
20
25
32.5
40
50
60
75
90
110
130
160
190
220
260
300
E(tx,tφ)
mV
2.实验数据整理
将实验数据代入下列各式进行计算
1.将不锈钢试件的壁温tx
(1)所用测温热电偶为铜—康铜,以风道内空气温度tf为参考温度时,热端温度在50~80℃范围内变化,冷、热端每1℃温度差的热电势输出可近似取0.043mV/℃,则
tx-tf=Etx,tf/0.043(式2-8)
(2)单侧不锈钢薄片发出热量Ql
Ql=IU2(式2-9)
式中:
U—试件两端的电压,U=201×10-3Vm,V;
I—流过试件的电流,I=2Vm,A;
Vm—毫伏表读数,mV。
(3)空气掠过平板的速度u
由毕托管测得气流动压头ΔhmmH2O。
空气流速可按下式计算:
u=2×9.81ρΔh(式2-10)
(4)局部对流换热系数hx
由于试件采用很薄的不锈钢片,因此可认为电功率均布在整个片表面,达到恒热流条件。
工作温度不高,对于教学试验而言,可以不计金属片向外辐射散热的影响,以及纵向导热的影响。
则式(2-3)可简化为:
hx=UI2bltx-tf(式2-11)
(5)计算相应Rex数及Nux数。
定性温度采用空气来流温度与平均壁温的平均值,即tm=tw+tf2,tw=t0+tl2。
Nux=hxxλ(式2-12)
Rex=uxν(式2-13)
式中:
x—离平板前缘的距离。
将计算结果填入表2.2中
六、实验思考题
1.绘制hx—x曲线和Nux—Rex的曲线。
2.分析沿平板对流换热的变化规律,并将实验结果与有关参考书上给出的准则方程式进行比较。
3.讨论计算hx(式2-3)所作的假定,能否在实验数据处理考虑这些影响。
机械与能源工程学院
表2.2实验结果汇总表
空气掠过平板流速m/s
热流通量W/m2
定性温度℃
x(mm)
物理量
0
0
2.5
5
7.5
10
15
20
25
32.5
40
50
60
75
90
110
130
160
190
220
260
300
tx-tf
℃
tx
℃
hx
W/(m2·K)
实验教学资料V3.0
Date:
2014-02-2547CopyrightByTongjiUniversity
机械与能源工程学院
实验三横管的自然对流换热
一、实验目的
1.掌握自然对流条件下测定横管对流换热系数的方法。
2.掌握将实验数据处理成准则关系式的方法,扩大实验结果的应用范围。
二、实验原理
换热设备中自由流动放热的经验公式,可以根据相似原理通过模型试验综合得出。
所谓模型试验就是用缩小的模型观察换热设备中的换热规律,这要求模型与原型(指工业应用的换热设备)之间保持几何相似、流动相似和换热相似。
根据相似理论,流体在自由流动情况下的对流放热规律可以整理成下列的准则关系式:
Nu=fGr×Pr(式3-1)
如果取流体边界层中的平均温度tm=tf+tw2作为定性温度。
这里tw为换热表面的温度,tf为边界层以外流体的温度。
则可以用下列准则关系式来表达水平横管时流体自由流动放热规律:
Num=CGr×Prmn(式3-2)
如管表面具有均匀的温度,而远离横管的空气温度为,根据牛顿冷却公式,在稳定传热情况下,横管外表面传给空气的热量为
Q=αFtw-tf(式3-3)
若考虑横管外表面对四周环境也进行辐射放热,那么横管表面传出的热量Q必然是对流放热Qc和辐射放热QR二者只总和,即
Q=QC+QR=αcFtw-tf+σεFTw1004-Tf1004(式3-4)
式中:
σ—黑体的辐射放热系数,其值为5.67W/m2K4;
ε
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- 同济大学 传热学 实验 报告