1、實驗一 穩(wěn)態(tài)球體法測粒狀材料的導熱系數(shù)測定實驗球體法測材料的導熱系數(shù)是基于等厚度球狀壁的一維穩(wěn)態(tài)導熱過程，它特別適用于粒狀松散材料。球體導熱儀的構(gòu)造依球體冷卻的不同可分為空氣自由流動冷卻和恒溫液體強制冷卻兩種。本實驗屬后一種恒溫水冷卻液套球體方式。一、實驗原理圖1所示球壁的內(nèi)外直徑分別為d1和d2（半徑為r1和r2）。設(shè)球壁的內(nèi)外表面溫度分別維持為t1和t2，并穩(wěn)定不變。將傅里葉導熱定律應(yīng)用于此球壁的導熱過程，得 W （1）邊界條件為：r=r1 t=t1 r=r2 t=t2 由于在不太大的溫度范圍內(nèi)，大多數(shù)工程材料的導熱系數(shù)隨溫度的變化可按直線關(guān)系處理，對式（1）積分并代入邊界條件，得 W （

2、2） 或 W/(m·) （3）圖 1 原理圖式中 球壁之間材料厚度，=（d2-d1）/2，m；mtm =(t1+t2)/2時球壁之間材料的導熱系數(shù)； 加熱電壓，伏特V； 加熱電流，安培A；內(nèi)球外壁溫度，；外球內(nèi)壁溫度，。因此，實驗時應(yīng)測出內(nèi)外球壁的溫度t1和t2，然后可由式（3）得出tm時材料的導熱系數(shù)m 。測定不同tm下的m值，就可獲得導熱系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系式。二、實驗設(shè)備導熱儀本體結(jié)構(gòu)及量測系統(tǒng)示意圖如圖2所示。圖 2體結(jié)構(gòu)及量測系統(tǒng)示意圖本體由兩個同心球組成。內(nèi)球為黃銅厚壁空心球體，殼外徑d1，球內(nèi)布置熱電偶、加熱器及絕緣導熱介質(zhì)；外球為兩個厚0.51mm的不銹鋼薄壁球殼組成

3、，內(nèi)球殼內(nèi)徑d2，內(nèi)外球殼之間充有流動的恒溫水，以保持d2溫度基本不變。外球d2內(nèi)壁壁與內(nèi)球d1之間均勻充填粒狀散料。一般d2為150200mm，d1為70100mm，故充填材料厚為50mm左右，內(nèi)球中電加熱器加熱，它產(chǎn)生的熱量將通過球壁充填材料導至外球殼。為使內(nèi)外球殼同心，兩球殼之間有支承桿。外球殼是一種外殼加裝冷卻液套球，套球中通以恒溫水或其他低溫液體作為冷卻介質(zhì)。本實驗為雙水套球結(jié)構(gòu)。為使恒溫液套球的恒溫效果不受外界環(huán)境溫度的影響，在恒溫液套球之外再加裝一個保溫套球。保溫球套外用塑料箱體保護。實驗數(shù)據(jù)表物料名稱 膨脹珍珠巖物料厚度 30mm球壁內(nèi)外直徑 d160mm d2 120mm熱面

4、溫度冷面溫度加熱功率t1t2t”2t2=( t2+ t”2)/2I（A）U(V)Q=UI(W)次數(shù)123平均導熱系數(shù)W/(m·)三、實驗方法及數(shù)據(jù)整理1球壁腔內(nèi)的試驗材料應(yīng)均勻地充滿整個空腔。充填前注意測量球殼的直徑，充填后應(yīng)記錄試料的質(zhì)量，以便準確記錄試料的容積質(zhì)量kg/m3。裝填試料還應(yīng)避免碰斷內(nèi)球殼的熱電偶及電源線，并特別注意保持內(nèi)外球殼同心。2改變電加熱器的電壓，即改變導熱量，tm將隨之發(fā)生變化，從而可獲得不同tm下的導熱系數(shù)。還可通過改變恒溫液溫度來改變實驗工況。實驗應(yīng)在充分熱穩(wěn)定的條件下記錄各項數(shù)據(jù)。3由式（3）計算導熱系數(shù)。四、思考問題1試分析材料充填不均勻所產(chǎn)生的影響

5、？2試分析內(nèi)、外球殼不同心所產(chǎn)生的影響？3內(nèi)、外球殼之間有支承桿，試分析這些支承桿的影響？4如果用空氣自由流動冷卻的球體試分析室內(nèi)空氣不平靜（有風）時會產(chǎn)生什么影響。5采用什么方法來判斷，檢驗球體導熱過程已達到熱穩(wěn)定狀態(tài)。6采用恒溫液套球時，為什么可以把恒溫液的溫度當作外球殼的表面溫度？7球體導熱儀在計算導熱量時，是否需要考慮熱損的問題？8球體導熱儀從加熱開始，到熱穩(wěn)定狀態(tài)所需時間取決于哪些因素？實驗二 空氣橫掠單管強迫對流的換熱實驗熱交換器中廣泛使用各種管子作為傳熱元件，其外側(cè)通常為流體橫向掠過管子的強制對流換熱方式，因此測定流體橫向掠過管子時的平均換熱系數(shù)是傳熱中的基本實驗。本實驗是測定空

6、氣橫向掠過單圓管時代平均換熱系數(shù)。一、實驗?zāi)康募耙?、了解實驗裝置，熟悉空氣流速及管壁的測量方法，掌握測試儀器、儀表的使用方法。2、通過對實驗數(shù)據(jù)的綜合、整理，掌握強制對流換熱實驗數(shù)據(jù)整理的方法。3、實驗測定空氣橫掠單管時的平均換熱系數(shù)；了解空氣橫掠管子時的換熱規(guī)律。、二、實驗原理 1. 根據(jù)牛頓冷卻公式： W (2-1)得 W/(m2×) (2-2)式中 對流換熱的熱流，W； 對流換熱系數(shù)，W/(m2×)； 對流換熱表面面積，m2； 流體平均溫度，； 物體表面溫度，。本實驗采用電加熱的放熱圓管，空氣外掠圓管表面，當換熱穩(wěn)定時，測出加熱電功率，即可得出對流換熱熱流，即：

7、W (2-3)2. 根據(jù)對流換熱的分析，強制對流穩(wěn)定時的換熱規(guī)律可用下列準則關(guān)系式來表示： (2-4)對于空氣，因溫度變化范圍不大，上式中的普朗特數(shù)Pr變化很小，可作為常數(shù)看待，故式(6-2-4)化簡為： (2-4a)式中 努謝爾特數(shù) 雷諾數(shù) 空氣橫掠單管時的平均換熱系數(shù)，W/(m2×)； 空氣來流速度，m/s； 特征尺寸，取管子外徑，m； 空氣的導熱系數(shù)，W/(m×)； 空氣的運動粘度，m2/s。要通過實驗確定空氣橫掠單圓管時的與的關(guān)系，就需要測定不同流速及不同管子直徑時換熱系數(shù)的變化。因此，本實驗中要測量的基本量為管子所處的空氣流速、空氣溫度、管子表面溫度及管子表面散出

8、的熱量。三、實驗裝置及測量系統(tǒng)實驗裝置本體是由一風源和試驗段構(gòu)成。 風源為一箱式風洞，風機、穩(wěn)壓箱、收縮口都設(shè)置在工作臺內(nèi)。風箱中央為空氣出風口，形成均勻流速的空氣射流。試驗段的風道直接放置在出風口上。風道內(nèi)的空氣流量由變頻器19來調(diào)節(jié)，可以改變實驗段風道中空氣流速。 圖1為測定空氣橫掠單管平均換熱系數(shù)的試驗段簡圖。 1、電源開關(guān) 2、儀表開關(guān) 3、交流供電開關(guān) 4、交流調(diào)壓旋鈕 5、直流大功率電源 6、差壓表 7、交流功率表 8、電流表 9、電壓表 10、十六路溫度巡檢儀 11、四路溫度巡檢儀 12、畢托管 13、風道 14、單管試件15、供電電極 16、熱電偶（測管壁溫）17、熱電偶（測來

9、流溫）18、分流器 19、變頻器實驗段風道13由有機玻璃制成。試驗件14為不銹鋼薄壁管，橫置于風道中間。為了保證管子加熱測量及管壁溫度測量的準確性，管子用低壓直流電直接通電加熱，管子兩端經(jīng)接座與電源導板15連接，并易于更換不同直徑的試驗管。為了準確測定試驗管上的加熱功率，在離管端一定距離處有兩個電壓測點a、b，以排除管子兩端的影響。銅-康銅電偶16設(shè)在管內(nèi)，在絕熱條件下準確測出管內(nèi)壁溫度，從而確定管外壁溫度。試驗管加熱用的低壓大功率直流電源5供給，輸出電流（壓）可改變對管子的加熱功率，電路中串聯(lián)一標準電阻18。用直流電壓表9測量電阻18上的電壓降，然后確定流過單管試件的電流量。試件兩測壓點a、

10、b間的電壓亦用直流電壓表測量。為了簡化測量系統(tǒng)，測量管內(nèi)壁溫度tw的熱電偶，其參考點溫度不是攝氏零度，而是來流空氣溫度tf。即熱電偶的熱端16設(shè)在管內(nèi)，冷端17則放在風道空氣中。所以熱電偶反映的為管內(nèi)壁溫度與空氣溫度之差（tw-tf）。風道上裝有比托管12，通過差壓變送器由壓力表直接讀數(shù)，測出試驗段氣流的動壓P，以確定試驗段中氣流的速度v。四、實驗步驟（1）連接并檢查所有線路和設(shè)備，合上背板上的空氣開關(guān)，打開電源、儀表開關(guān)。此時交流供電開關(guān)應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)！打開實驗臺右側(cè)的變頻器開關(guān)，調(diào)節(jié)風機頻率到50Hz即最大風量觀察畢托管測定風壓值。 （2）打開大功率直流電源，將電流（壓）調(diào)節(jié)旋鈕旋至輸出電

11、流為20-25A。（注意：穩(wěn)壓電源提供的是恒流源。對試件的加熱量主要看供給的電流大小，儀表會同時顯示其輸出電壓值。）穩(wěn)定后即可測量各有關(guān)數(shù)據(jù)。（3）保持加熱功率不變，風機頻率減小，穩(wěn)定后又可測到一組數(shù)據(jù)。試驗時對每一種直徑的管子，空氣流速可調(diào)整8個工況。加熱電流（壓）保持不變，亦可根據(jù)管子直徑及風速大小適當調(diào)整，保持管壁與空氣中有適當?shù)臏夭?。每調(diào)整一個工況，須待壓力表，熱電偶讀數(shù)等穩(wěn)定后方能測量各有關(guān)數(shù)據(jù)。五、實驗數(shù)據(jù)的計算與整理試驗用二根不銹鋼管： 直徑D=4.0mm和6.3mm范圍，管長為200 mm，測壓點ab間距約100mm1. 空氣的來流速度 根據(jù)伯努力方程，畢托管所測得的氣流動壓(

12、N/m2)與氣流速度(m/s)的關(guān)系： (Pa) (2-5) (m/s) (2-6)式中為空氣的密度（kg/m3)，由空氣溫度查表確定。2、管壁溫度tw由銅-康銅熱電偶測得, 試驗管為有內(nèi)熱源的圓筒形壁，且內(nèi)壁絕熱，因此，內(nèi)壁溫度 t1大于外壁溫度tw。由于所用管壁很薄，僅0.2-0.3mm，且空氣對外管的換熱系數(shù)較小，可足夠確認的認為tw= t1。、試驗管工作段ab間的發(fā)熱量Q Q = IU W (2-7) 、空氣流過管外壁時的平均換熱系數(shù) W/(m2 ) (2-8) 其中：A-電壓測點ab間試驗管的外表面積 . 換熱準則方程式根據(jù)每一實驗工況所測得的數(shù)值可計算出相應(yīng)的值及Re值，和Re之間

13、的關(guān)系可近似表示為一指數(shù)方程的形式： (2-9)在雙對數(shù)坐標紙上，以為縱軸，Re為橫軸，將各工況點描出，它們的規(guī)律可近似地用一直線表示，即： (2-10)其中 如用 ，上式則可表示為： (2-11) 根據(jù)最小二乘法原理，系數(shù)及可按下式計算： (2-12) (2-13)式中：實驗點的數(shù)目；在計算及Re時所用的空氣導熱系數(shù)、運動粘度，可根據(jù)壁面與流體的平均溫度作為作為定性溫度查表。六、實驗報告要求1. 在雙對數(shù)坐標紙上描繪出各實驗點，并用最小二乘法求出強迫對流換熱的準則方程式；2. 將實驗結(jié)果與有關(guān)參考書給出的空氣橫掠單管時換熱的準則方程式和曲線圖進行比較；3. 對實驗結(jié)果進行分析與討論。七 思考題 1結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，分析對流換熱系數(shù)和風速的關(guān)系。 測試得到的準則方程式誤差產(chǎn)生的原因。 八、注意事項1、首先了解試驗裝置的各個組成部分，并熟悉儀表的使用，以免損壞儀器。2、為確保管壁溫度不至超出允許的范圍，啟動及工況改變時都必須注意操作順序。啟動電源之前，先將電源調(diào)節(jié)旋鈕轉(zhuǎn)至零位：3、啟動時必須先開風機，調(diào)整風速，然后對試驗管通電加熱，并調(diào)整到要求的工況。注意電流表上的讀數(shù)，不允許超出工作電流參考值。試驗完畢時，必須先關(guān)加熱電源，待試件冷卻后，再關(guān)風機。、電流極限值27安 加熱管壁溫不能超過100，皮托管壓差不能小于25kPa工 況試件壁溫tw（）空