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《传热学》课程实验指导书.doc

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《 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=r1 t=t1 r=r2 t=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)/2m; 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
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