传热实验指导书分析

实验三 平板导热系数测定实验

一. 实验目的

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

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，导热系数是不同的；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，往往不能只在一种试验设备上进行。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。

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

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 F

t Q ???=δλ

[w]

测定时，如果将平板两面的温差

L R t t t -=?、平板厚度δ

、垂直热流方向的

导热面积F 和通过平板的热流量Q 测定以后，就可以根据下式得出导热系数：

F

t Q ???=

δ

λ

)/(C m W ??

需要指出，上式所得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：

)

(21

L R t t t += ][C ?

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

)(t f =λ 的关系曲线。

三.实验装置及测量仪表

稳态平板法测定材料导热系数的试验装置如图1和图2所示。

被试验材料做成二块方形薄壁平板试件，面积为300×300

][2

mm ，实际导热计算面积

F 为200×200][2mm ，板的厚度为δ（实测）][2

mm ，平板试件分别被夹紧在加热器的上、

下热面和上、下水套的冷面之间。加热器的上下面和水套与试件的接触面都设有铜板，以使温度均匀。利用薄膜式加热片来实现对上、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（或通过自来水）来实现的。在中间200×200

]

[2

mm

部位上安设的加

热器为主加热器。为了使主加热器的热量能够全部单向通过上下两个试件，并通过水套的冷

水带走，在主加热器四周（即200×200

]

[2

mm

之外的四侧）设有四个辅助加热器，测试时

控制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t1(或t2)和水套冷面的中心温度t3(或t4)用四个镍铬-康铜热电偶埋设在铜板上来测量：辅助加热器1和辅助加热器2的热面也分别设置两个辅助镍铬-康铜热电偶t5和t6（埋设在铜板的相应位置上）。其中辅助热电偶t5(或t6)接到温度巡检仪上，与主加热器中心的主热电偶t1（或t2）的温度相比较，通过跟踪调节使全部辅助加热器都跟踪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t1(或t2)和热电偶t3(或t4)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助热电偶的温度，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。温度是利用万能信号输入8电巡检仪测量的，主加热器的电功率可以用直流稳压电源的电压表和电流表来测量。

Q=IU （W）

注：本试验台的外围应有保温材料，以免热量向周围散失过多。

[附]试验台主要参数1.试验材料：

2.试件外型尺寸：270×270

] [2 mm

3.导热计算面积F：200×200

]

[2

mm

（即主加热器的面积）

4.试件厚度δ：（实测）

5.主加热器电阻值：100 Ω

6.辅加热器（每个）电阻值： 4×25Ω

7.热电偶：E型

8.试件最高加热温度：≤80C

9．.主加热器电压直流 0—50V，电流 0—2A （可调）

10．辅助加热器电压直流 0—50V，电流 0—2A （可调）

四.实验方法和步骤

将两个平板试件仔细地安装在加热器的上下面，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，或用自动控制压紧装置压紧，以使它们都能紧密接触。

图2 试验台（平板导热仪）面板电路联结图

2.联接和仔细检查各接线电路。将主加热器的两根导线接到仪表箱的主加热器电源接线端子上：而两个辅助加热器是经两两并联后再串联组成的串联电路（实验台上已联接好），同样将辅助加热器的两根导线接到仪表箱的辅助加热器电源接线端子上。电压表和电流表（或电功率表）应按要求接入电路。

将测温热电偶t1、t2、t3、t4、t5、t6、的导线接到配电箱对应的接线端子上。关闭主、辅加热电源开关及水泵开关；打开总电源开关。并检查各热电阻信号（温度）是否正常（基本一致）。

3. 打开水泵开关，检查冷却水水泵及其通路能否正常工作，调节水阀门开度应尽量一致。

4.接通主加热器电源，并调节到合适的电压（建议由低至高间隔5V或10V逐渐分段加热），开始加温，然后开启辅助加热电源使加温电压与主加热器电压接近，一段时间后，观察辅助加热面的温度是否与主加热面的温度一致，然后适当调整辅助加热器的电压（高则降低、低则增加）来跟踪调整使主、辅加热温度相一致。在加温过程中，可通过各测温点的测量值来控制和了解加热情况。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。在这个过程中可以适当调节主加热器电源、辅助加热器电源的电压，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）读数记录和温度测量，从而得到稳定的测试结果。

5.一个工况试验后，可以将设备调到另一工况，既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.根据实验要求，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，经过10分钟左右再关闭水泵（或停放自来水）。

五.实验结果处理

实验数据取实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）：

Q=W （或I ·V ） [W] W —主加热器的电功率值 [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）传导，所以

）（或V I W Q Q Q ?===

=21

2221 [W]

试件两面的温差：

L R t t t -=? ][C ?

tR —试件的热面温度（即t1或t2） ][C ? tL —试件的冷面温度（即t1或t2） ][C ? 平均温度为

2

L R t t t +=

][C ?

平均温度为t 时的导热系数：

)

)(2()(2F t t V I F t t W L R L R -??-?=

δ

δλ或 [C m w ??/]

将不同平均温度下测定的材料导热系数在t —λ坐标中得出t —λ的关系曲线，并求出)(t f =λ的关系式。

稳态平板法测定绝热材料导热系数实验

实验报告要求：

一、实验原理、实验仪器工作流程、实验步骤、实验结果 二、思考题

1.为了建立一维稳定的温度场，本实验装置采取了哪些措施？

2.如果试件表面不平整时，测得的导热系数将偏大还是偏小？为什么？

3.本实验装置为什么仅限于测定非金属材料的导热系数？对被测试材的导热系数范围有无限制？为什么？

4.本应测量试件冷、热表面温度的，但在本实验装置中，热电偶是埋设在均热板面上和冷却器面上而不是埋设在试件表面上。这是为什么？

5.如果只有一块试件，能否用本实验装置进行测试？怎样进行实验？

6.如果某试材的导热系数随温度呈线性变化,在用本装置测定其导热系数时共做了几次实验，事后发现两块试件厚度不等，试问如何整理数据？

7.是否可用此仪器测试湿材料的导热系数？

8.用稳态平板法测液体导热系数时要考虑哪些因素？应怎样进行实验？

实验五 沸腾放热实验

一、试验目的

1．观察水在大容器内沸腾的现象，加深对泡状沸腾的认识。

2．测定水泡状沸腾放热时的放热系数，绘制大容器内水泡状沸腾的换热特性曲线（q —曲线）

3．通过数据处理，了解大容器内水沸腾换热的规律。 二、实验原理

在盛满蒸馏水的大容器内，使水达到饱和温度后对试件通电加热，试件表面上不断产生气泡和跃离，形成稳定的泡状沸腾换热现象。当改变加热功率时，就改变了热源管表面的热负荷，可以观察到气泡的形成，扩大和跃离过程以及泡状核心随着试件热负荷提高而增加的现象。如热负荷增大至一定程度后，所产生的气泡在管壁面逐渐形成连续的汽膜，就由泡态沸腾向膜态沸腾过渡。此时壁温会迅速升高，以至会将试件烧毁。测出泡状沸腾时的加热功率及试件壁温，可以得出泡状沸腾时壁面温度与水饱和温度之差随热负荷变化的曲线，计算出泡状沸腾放热系数。

热源管的发热量由流过它的电流及其工作段的电压降来确定，在试件两端测量热电压降，电流与该电压降相乘得到的功率值，就是试件表面的散热量Q 。

试件外壁温度t2很难直接测定，对不锈钢管试件，可利用插入管内热电偶测出管内温度t1，再通过计算求出t2。 三、试验装置（见附图）

试验装置主要包括玻璃大容器、试件，大功率直流电源、辅助加热装置及测量系统。试件由不锈钢管制成，其两端通过电极引入低压大电流加热。为了便于观察，热源管放在盛有蒸馏水的玻璃容器中。低压大电流由功率直流电源提

供，热源管的发热量由流过热源管的电流和工作段两端的电压来确定。热源管内壁温度和水的饱

和温度由热电偶测量，外壁温度通过计算得到。 为使蒸馏水达到饱和温度，试验前先用辅助电热器将水加热到沸腾，并保持其沸腾状态，即t

可进行试验。作泡状沸腾换热试验时，可选用下表中不同直径的不锈钢管。

四、试验步骤

1、玻璃容器内充蒸馏水至4/5高度；将试验装置测量线路接好，接通工作电源。

2、辅助电热器通电，当容器中水沸腾后，调节降低工作电压，使沸腾缓慢，以便能清晰观察试件。

3、观察大容器内水沸腾的基本现象。启动功率直流稳压电源，缓慢地加大热源管的工作电流，注意观察下列的沸腾现象：

a 、在钢管的某些固定点上逐渐形成气泡，并不断扩大，达到一定大小后，汽泡跃离管壁，渐渐上升，最后离开水面，产生汽泡的固定点称为汽化核心，汽泡跃离后，又有新的汽泡在住房汽化核心产生，如此再而复始，有一定的周期。

b 、随热源管工作电流增加，热负荷加大，管壁上汽化核心的数目增加，汽泡跃离的频率也相应加大。

c 、如热负荷增大至一定程度后，所产生的汽泡就会在管壁面逐渐形成连续的汽膜，由泡态沸腾向膜态沸腾过渡，此时壁温会迅速升高，以至将钢管烧毁（因此，本试验工作电流不允许超过100安培）。

d 、为了测定不同热负荷下放热系数α的变化，工作电流在50-98安培范围内改变，共测7～8个工况，每改变一个工况，待各读数稳定后，记录数据。

e 、调换不同直径的不锈钢管，进行上述试验。

f 、试验结束前应将功率直流稳压电源旋至零值，然后切断电源。 五、数据整理与计算

1、电流流过热源管，在工作段ab 间的发热量Q ： Q=I ×U （W ） 式中：I —流过试件的电流（A ） U ——工作段ab 间电压（V ）

2、试件表面热负荷q ：

q=Q/F (W/m2)

式中：F ——工作段ab 间的表面积（m2） 3、钢管外表面温度t2

试件为圆管时，按有内热源的长圆管，其管外表面为对流放热条件，管内壁面绝热时，根据管内温度可以计算外壁温度：

21

221122

1212(1ln )4r r Q t t t Q L

r r r ξπλ=-

-

=--

式中：λ—不锈钢管导热系数λ=16.3(W/m ℃)； L —工作段ab 长度（m ）； ξ—计算系数

4、泡态沸腾时放热系数α 在稳定情况下，电流流过热源管发生的热量全部通过外表面由水沸腾换热而带走，即： Q=F α（t2-ts ） (w)

所以 α=Q/F △t （W/m2℃） △t=t2-ts (C) 六、实验报告要求

1、在方格纸上，以q 为纵坐标，△t 为横坐标将各测试点绘出，并连成曲线。

2、将实验结果与逻逊瑙整理推荐的泡态沸腾热负荷q 与温度△t 的关系式： 进行比较，分析讨论系数Csf 变化带来的影响。

实验原始数据记录及参数计算

试验管直径：D2= 工作段长度：L= 工作段面积 F= 系数ξ=

项目

序号 物理量

符号及计算公式

工况

单位

工况

1

2

3

4

5

1 沸腾水饱和温度

Ts ℃ 3 试件ab 间电压降 U 伏 5 管内壁温度 t1 ℃ 6 热源管工作电流

I 安培

8 热源管放热量 Q=I×

U W 9 管外壁温度 t2=t1-ζQ

℃

10 热源管表面热负荷 q=Q/F W/m2 11 沸腾放热之差 △t=t2-ts ℃ 12

水沸腾放热系数

α=Q/F △t

W/m2℃

七、注意事项

1、预习实验报告，了解整个实验装置各个部件，并熟悉仪表的使用，以免损坏仪器。

)/()ln 21(411

22

12221W ℃r r r r r L --=πλξ