传热学实验报告

传

热

学

实

验

报

告

班级：安全工程（单）0901班

姓名：雷轩

学号：0903030201

第一节 稳态平板法测定绝热材料导热系数实验

一、实验目的

1.巩固和深化稳定导热过程的基本理论，学习用平板法测定绝热材料导热系数的试验方法和技能。

2.测定试验材料的导热系数。

3.确定试验材料导热系数与温度的关系。 二、实验原理

导热系数是表征材料导热能力的物理量。对于不同的材料，导热系数是各不相同的，对同一材料，导热系数还会随着温度、压力、湿度、物质的结构和重度等因素而变异。各种材料的导热系数都用试验方法来测定，如果要分别考虑不同因素的影响，就需要针对各种因素加以试验，往往不能只在一种实验设备上进行。稳态平板法是一种应用一维稳态导热过程的基本原理来测定材料导热系数的方法，可以用来进行导热系数的测定试验，测定材料的导热系数及其和温度的关系。

实验设备是根据在一维稳态情况下通过平板的到热量Q 和平板两面的温差t ?成正比，和平板的厚度h 成反比，以及和导热系数λ成反比的关系来设计的。

我们知道，通过薄壁平板（壁厚小于十分之一壁长和壁宽）的稳定导热量为：

S t h

Q *?*=

λ

（1）

其中：Q 为传到平板的热量，w ；

λ为导热系数，w/m ℃；

h 为平板厚度，m ； t ?为平板两面温差，℃； S 为平板表面积；m 2；

测试时，如果将平板两面温差t ?、平板厚度h 、垂直热流力向的导热面积S 和通过平板的热流量Q 测定后，就可以根据下式得出导热系数：

S

t h

Q *?*=

λ （2） 其中：d u T -T t =?，T u 为平板上测温度，T d 为平板下侧温度，℃；

这里，公式2所得出的导热系数是在当时的平均温度下材料的导热系数值，此平均温度为：

()d u T T 2

1

t +=

（3） 在不同的温度和温差条件下测出相应的λ值，然后按λ值标在λ-t 坐标图内，就可以得出()

t f =λ的关系曲线。 三、实验装置及测试仪器

稳态平板法测定绝热材料的导热系数的电器连接图和实验装置如图1和图2所示。 被试验材料做成两块方形薄壁平板试件，面积为300*300[mm 2]，实际导热计算面积S 为200*200[mm 2]，平板厚度h[mm]。平板试件分别被夹紧在加热器的上下热面和上下水套冷面之间。加热器的上下面、水套与试件的接触面都设有铜板，以使温度均匀。利用薄膜式加热片实现对上、下试件热面的加热，而上下导热面积水套的冷却面是通过循环冷却水（或通以自来水）来实现。在中间200*200mm 2部位上安设的加热器为主加热器。

为了使住加热器的热量能够全部单项通过上下两个试件，并通过水套的冷水带走，在主加热器四周（即200*200mm 2之外的四侧）设有四个辅助加热器（1、2、3、4），利用专用的温度跟踪控制器使主加热器以外的四周保持与中间主加热器的温度相一致，以免热流量向旁侧散失。主加热器的中心温度t h 和水套冷面的中心温度t c 用四个热电偶来测量，辅助加热器1和辅助加热器1的热面也分别设置两个辅热电偶t 2和t 6（埋设在铜板相应位置上），其中一个辅热电偶t 2（或t 6）接到温度跟踪控制器上，与主加热器中心接来的主热电偶t ：的温度信号相比较，通过跟踪器使全部辅加热器都跟踪到与主加热器的温度相一致。

而在试验进行时，可以通过热电偶t （或t ：）和热电偶t 3（或t 4）测量出一个试件的两个表面的中心温度。也可以再测量一个辅热电偶的温度，以便与主热电偶的温度相比较，从而了解主、辅加热器的控制和跟踪情况，温度是利用仪器直接读取数值。主加热器的电功率可以用电功率表或电压表和电流表来测量。

[附]实验台主要参数 1.试验材料：

2.试件外型尺寸：300*300mm 2

3.导热计算面积F ：200*200mm 2（即主加热器的面积） 4．试件厚度h ： mm （实测） 5.主加热器电阻值： Ω

6．辅加热器（每个）电阻值： Ω 7.加热偶材料： 镍鉻—镍硅

8.试件最高加热温度：80℃

图1 试验台的电气连接图

t5

t2

图2 试验台主题示意图（1）

t5

t2

图2 试验台主题示意图（2）

四、实验方法和步骤

1. 将两个平板试件仔细地安装在主加热器的上下面，试件表面应与铜板严密接触，不应有空隙存在。在试件、加热器和水套等安装入位后，应在上面加压一定的重物，以使它们都能紧密接触。

2. 联接和仔细检查各接线电路。将主加热器的两个接线端用导线接至主加热器电源；而四个辅助加热器经两两并联后再串联成串联电路（实验台上已联接好），并按图3—2所示联接到辅助加热器电源和跟踪控制器上。电压表和电流表（或电功率表）应按要求接入电路。将主加热电偶之一t1（或t5）接到跟踪控制器面板上左侧的主热电偶接线柱上，而将辅助电偶之一t2（或t6）接到跟踪控制器上的相应接线柱上。把主热电偶t5（或t1）和辅加热电偶t2（或t6）都接到稳态平板法测定绝热材料导热系数仪上。

3. 检查冷却水水泵及其通路能否正常工作，各热电偶是否正常完好，检查稳态平板法测定绝热材料导热系数仪是否连接好。

4. 接通加热器电源，并调节到合适的电压，开始加温，同时开启温度跟踪控制器。在加热过程中，可通过各测温点的测量控制盒了解加热情况。开始时，可先不启动冷水泵，待试件的热面温度达到一定水平后，再启动水泵（或接通自来水），向上下水套通入冷却水。试验经过一段时间后，试件的热面温度和冷面温度开始趋于稳定。在这过程中可以适当调节主加热器电源、辅加热器电源的电压，使其更快或更利于达到稳定状态。待温度基本稳定后，就可以每隔一段时间进行一次电功率W （或电压V 和电流I ）读书记录和温度测量，从而得到稳定的测试效果。

5. 各工况试验后，可以将设备调到另一工况，即调节主加热器功率后，再按上述方法进行测试，得到另一工况的稳定测试结果，调节的电功率不宜过大，一般在5~10W 为宜。

6.根据试验要求，进行多次工况的测试。（工况以从低温到高温为宜）。

7.测试结束后，先切断加热器电源，并关闭跟踪器，经过10分钟左右后再关闭水泵（或停放自来水）。

五、实验结果处理

实验数据取试验进入稳定状态后的连续三次稳定结果的平均值。导热量（即主加热器的电功率）：

)*或(V I W Q = ][W

（4）

式中 W —主加热器电功率值，w ；

I —主加热器的电流值，A ；

V —主加热器的电压值，V 。

由于设备为双试件型，导热量向上下两个试件（试件1和试件2）传到，所以

)·21

(2221V I W Q Q Q 或==

= []W

试件两面的温差：

L R t -t t =? []℃ （5）

式中

g

t —试件的热面温度（即1t 或2t ），℃；

g

t —试件的冷面温度（即

3

t 或4t ），℃。

平均温度为

()L R t t 21

t +=

[]℃ （6）

平均温度为t 时的导热系数：

F t t w L R )(2·-=

δλ（或F t t V I R )(2··1-δ

）[]℃·/m w (7)

将不同平均温度下测定的材料导热系数绘成λ、错误！未找到引用源。 关系曲线，并求出()

t f =λ的关系式。

导热系数测定记录表

序号

主加热器

热面温度t R （℃） 冷面温度t L （℃） 备注 电流I （mA ） 电压V （V ） 功率N （W ）

1 21 19 40.

2 30.7 2 22.5 21 41 32.5 3

27.4

25

46.9

37.5

六：数据处理：

序号

主加热器

热面温度t R

（℃） 冷面温

度t L

（℃） 平均温

度（℃）

导热系

数(w/m.k)

电流I （mA ） 电压V （V ） 功率N （W ） 1 21 19 0.399 40.2 30.7 35.45 0.0105 2 22.5 21 0.4725 41 32.5 36.75 0.013897 3

27.4

25

0.685

46.9

37.5

42.2

0.018218

第二节空气沿横管表面自由运动放热实验

一、实验目的和要求

1.了解空气沿横管表面自由运动放热的实验方法，巩固课堂上学过的知识；

2.测定单管的自由运动放热系数α；

3.根据对自由运动放热相似分析，整理出准则方程式。

二、实验原理

实验装置如图3—3所示。主要由试验管、热电偶、电位差计、自耦变压器、瓦特表等组成，实验装置提供四根不同直径、不同长度的试验管，试验管的结构如图3—4所示。四根不同直径的试验管分别水平地悬挂在两幅可升降的支架上，试验管中间装有电热加热，其电源线在管的两端引出，可以通过自耦变压器以给定电压使试验管加热，其加热功率W用瓦特表测定，每个试验管上有4个热电偶嵌入管壁，反映管壁温度的热电势，用电位差计来测定。

自耦变压器瓦特表稳态平板法测定绝热材料导热系数仪

图1 实验装置示意图

图2 试验管结构示意图

1-电源引出线；2-电源引出孔；3-聚苯乙烯泡沫；4-绝热材料；5-电加热器 试验时，对试验管进行加热，热量是以对流和辐射两种方式散发的，对流换热量为总热量与辐射换热量之差，即

即

r

Q Q Q -c = (1)

而W Q =

)

(f w c t t F Q -=α (2)

??

??

??????? ??-??? ??=4f 40r 100100T T F C Q w ε (3) 所以

()()??????????? ??-???

??---=4

f 40w 100100T T t t C t t F W

w f w f εα (4)

式中

F —表面积，m 2；

自由运动放热系数。

—室内空气温度，℃；

—管壁平均温度，℃；—；黑体的辐射系数—试管表面黑度；

—；

对流换热量，—；辐射换热量，—；总热量，—αεf w t t k m w C Q Q Q )/669.5(w w w 2

0c r

根据相似理论，对于自由对流放热，怒谢尔系数

u

N 格拉晓夫数r G 朗特数r P 的函数即：

()n

r u

·P G f N r = （5）

可表示成：

n

r r )·(G P C N u =,其中，C ,n 验确定的常数。为了确定上述关系式的具体形

式，根据所测数据计算结果求出准则数

λad

u =

N 3

r 2

g t d v G β?= (6) r P 、λ、β、v 等物性参数由定性温度从有关书中查出。

改变加热了，可求得一组准则数，把几组数据标在对数坐标得到以

u

N 为纵坐标、r G 、

r P 为横坐标的一系列点，换一条直线，是大多数点落在这条线上或周围。

根据

()

r r u ·nlg lg lg P G C N +=，使这条曲线的斜率即为n ，截距为C 。

三、实验装置及测量仪表

实验装置由四根不同直径、不同长度的试验管组成，测量仪表有稳态平板法测定绝热材料导热系数仪、TDGC 型接触式调压器、瓦特表、电流表、电压表。

试验管上有热电偶嵌入管壁，可反映管壁的热电势，电位差计用于测量室内和管壁热电势；稳压器可稳定输入电压，使加热管的热量保持一定；电压、电流表测定电加热器的电压与电流。 四、实验步骤

1. 按电路图接好线路，经老师指导检查无误后接通电源；

2. 调整调压器对试验管进行加热；

3. 稳定六小时后开始测管壁温度，记录数据；

4. 每隔30分钟记录一次，直到两组数据接近为止；

5. 取两组接近的数据的平均值，作为计算数据；

6. 记录温度计表示的空气温度值；

7. 将调压器调整回零位，切断电源。 五、实验数据的整理：

1、已知数据：

管径：m m 80d 1= m m 60d 2= mm 40d 3= m m 20d 4= 管长：m m 18001=L m m 16002=L mm 14003=L m m 12004=L

黑度：11.01=ε 15.0432

===εεε

2、测试数据： 管壁温度t wn 室内空气温度tf 电流I 、电压V

空气沿圆管表面对流换热实验记录表

序号

温度（℃）

电加热

室温

T w1

T w2 电流I 电压V 功率N ℃ 1 39.4 39.5 4 25 2 45.0 43.6 8 25 3

56.5

55.1

10.7

25

实验数据处理 计算自由放热系数：

有实验资料数据得管径：m m 80d 1=，管长：m m 18001=L ，黑度：11.01=ε， 表面积11 1.8 3.140.080.45216F L d π==??= 壁面平均温度:l 12

;()2

W W T T T C +=

序号 壁面平均温度（℃） 表面积（F ） 试管表面黑度ε 室温（℃） 自由运动放热系数α 1 39.45 0.45216 0.11 25 9.371845023 2 44.3 0.45216 0.11 25 19.92999781 3

55.85

0.45216

0.11

25

28.4787264

定性温度：;()2

f

m T T T C +=

对于空气体积膨胀系数：1

273

m T β=

+；

求表达式 ()n

r u

·P G f N r =；根据定性温度查表（课本559页）以及计算得；

()m T C

r P

210(/())W m K λ?

310β? 6210(/)m s ν?

u N

810r G -?

32.225 0.701 2.69 3.276 16.21 27.87 9.309 34.65 0.700 2.71 3.250 16.45 58.8 11.631 40.425

0.699

2.77

3.191

16.98

82.25

17.132

第三节 法向辐射率测定实验

一、实验目的

1、学习中温辐射物体黑度测试仪的使用方法。

2、定性的测量中温辐射时物体的黑度。

3、通过实验使学生直观地认识比较法在测量过程中的应用。 二、实验原理

又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i 的纯换热量i .net Q 。

i .e i .abs i .net Q -Q Q =

()i i .b i k n

1

K k .e f f

i

F E -i d F dk E

d εψ∑?== 1

i .net Q —i 面的净辐射换热量； i .abs Q —i 面从其他表面的吸热量； i .e Q —i 面本身的辐射热量；

i ε—i 面的黑度；

()i dk ψ—k 面对i 面的角系数；

k .eff E —k 面的有效辐射力； i .b E —i 面的辐射力；

i d —i 面的吸收率； i F —i 面面积。

根据实验的设备情况，可以认为： 1、热源1、黑体腔体2为黑体。

2、热源1、黑体腔体2、待测物体（受体）3，它们表面上的温度均匀。

1

2

3

图1 辐射换热测试主体

1-热源；2-黑体腔体；3-待测物体（受体）

因此，公式3-22可写成：

33.b 33

..111.b https://www.360docs.net/doc/cd12985715.html, F E -F E a Q ε）（ψ= 因为：31F F =；33a ε=；2.12.3ψ=ψ。又根据角系数的互换性2.132.32F F ψ=ψ，

()()3.b 2.12.b 3..11.b 33.b 32.12.b 3..11.b 33

3

.net 3E -E E E -E E F Q q ψψεεψψε+=+==

2 由于受体3与环境主要以自然对流方式换热，因此：

()f 33t -t a q = 3

式中：

a —换热系数；

3t —待测物体（受体）温度，℃； f t —环境温度。℃； 由3-23、3-24公式可得：

()3

.b 2.12.b 3..11.b f 33E -E E t -t a ψψε+=

4

当热源1和黑体2的表面温度一致时，2.b 1.b E E =，并考虑到体系1、2、3为封闭系统，则：12.13..1=+ψψ，由此，3-25公式可写成：

()()()

4

3

41f 33.b 1.b f 33T -T t -t a E -E t -t a σε==

5 公式中，σ为斯蒂芬-玻尔茨曼常数，其数值为5.7*10-8w/m 2k 4。 对不同待测物体（受体）a 、b 的黑度ε为：

()()()()

4b

34b 1f b 3b b 4a 34a 1f a 3a a T -T t -t a T -T t -t a σεσε==；

设，a a =a b ，则：

4

a

34

a 14b

34b 1f b 3f a 3b a T -T T -T t -t t -t ?=εε 6 当b 为黑体时，1b =ε，上式可写成：

4

a

34

a 14

b

34b 1f b 3f a 3a T -T T -T t -t t -t ?=ε 7 三、实验装置

实验装置简图如下：

热源腔体具有一个测温热电偶，传导腔体有两个热电偶，受体有一个测温热电偶，他们都可以通过琴键转换开关来切换。

图2 实验装置示意图

四、实验方法和步骤

本仪器用比较法定量地测定被测物体的黑度，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，但表面熏黑）两种状态的受体在相同的温度条件下，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。

具体步骤如下：

1.热源腔体和受体腔体（使用具有原来表面状态的物体作为受体）靠紧黑体腔体。

2.用导线将仪器上的测温接线柱11与电位差计上的“未知”接线柱“+”、“—”极联结好。按电位差计使用方法进行调零、校准并选好量程（*1档）。

3.通电源，调整热源、黑体腔体左和黑体腔体右的调温旋钮，使其相应的电压表指针调至红点为止，加热约40分钟左右，通过测温转换开关，测试热源、黑体腔体左和黑体腔体右的温度，并根据测得的温度，微调相应的电压旋钮，使其三点温度尽量一致。

4.系统进入恒温后（各测温点基本接近，且在5分钟之内各点温度波动小于3℃），开始测试受体温度，当受体温度5分钟内的变化小于3℃时，记下一组数据。“待测”受体实验结束。

5.取下受体，将受体冷却后，用松脂（带有松脂的松木）或蜡烛将受体熏黑，然后重复以上实验，测得第二组数据。

将两组数据代入公式即可得出待测物体的黑度ε受。 五、注意事项

1、热源及腔体的温度不宜超过200℃。

2、每次做原始状态试验室，建议用汽油或酒精将待测物体表面擦干净，否则，试验结果将有较大出入。 六、实验所用计算公式

根据式本实验所用计算公式为：

)

()

(4404040s s Y Y s T T T T T T -?-?=

εε （3-29） 式中 0ε——相对黑体的黑度，该值可假设为1； s ε——待测物体（受体）的黑度；

s T ?——受体与环境的温差，℃； 0T ?——黑体与环境的温差，℃；

Y T ——受体为相对黑体时热源的绝对温度，℃； 'y T ——受体为待测物体时热源的绝对温度，℃； 0T ——相对黑体的绝对温度，℃； s T ——待测物体（受体）的绝对温度，℃; 测得空气的温度即流体的温度为25f T C =

相对黑体 待测物体

()Y T C 0()

T C

0()

T C ?

'y ()T C

()

s T C

()

s T C ?

1 49 37 1

2 61 4

3 18 2

72

50

25

79

50

25

处理上述数据，代入公式(3-29)得：

44s 044

00()

0.5597()s Y Y s T T T T T T εε?-==?- 44s 04400()

0.631

()s Y Y s T T T T T T εε?-==?-