俞天蘭編
湖南工業大學
機械工程學院過程裝備與控制工程專業教研室
2023年9月
目錄實驗一穩態球體法測定粒狀材料導熱係數 1
一、實驗目的 1
二、實驗原理 1
三、實驗儀器與裝置 1
四、實驗步驟 2
實驗二非穩態（準穩態）法測量材料的導熱性能實驗 3
一、實驗目的 3
二、實驗原理 3
三、實驗裝置 5
四、實驗步驟 5
五、注意事項 6
實驗三強迫對流表面傳熱系數的測定 6
一、實驗目的 6
二、實驗原理 6
三、實驗裝置 8
四、實驗步驟 9
五、資料整理與計算 10
實驗四空氣在水平管外自然對流時表面傳熱系數測定 11
一、實驗目的 11
二、實驗原理 12
三、實驗裝置 13
四、實驗步驟 13
五、實驗資料的整理 14
六、實驗注意事項 15
實驗五中溫法向輻射時物體黑度測定 15
一、實驗目的 15
二、 實驗原理 15
三、實驗裝置 17
四、實驗方法和步驟 18
五、注意事項 18
1.在穩定狀態下，利用圓球法測定粒狀材料的導熱係數。
2.掌握實驗基本原理、實驗裝置結構，學會使用實驗儀器與裝置。
3.對資料進行處理和誤差分析。
兩個直徑不同的空心圓球，圓球壁很薄，並放在同一圓心位置，兩球之間充滿一定容量、需要測定的顆粒狀材料。內球裝有乙個電加熱器，產生熱量q,沿圓球表面法線方向通過顆粒狀材料向外傳遞熱量。假定內球壁面溫度為 ，外球壁面溫度為 ，且 ，球面各點溫度場均是一維的，當溫度不隨時間變化，達到穩定狀態時，根據傅利葉定律可得通過球壁的傳熱量為：
求解上式並帶入邊界條件，可得：
在熱平衡時，認為傳熱量與電加熱量相等
其中： λ—導熱係數
q—熱量(w)
d1—內球直徑(m)
d2—外球直徑(m)
t1—內球溫度℃
t2—外球溫度℃
i—電流(a)
u—電壓(v)
通過以上各式即可求出待測材料的導熱係數。
實驗裝置由兩個很薄的空心圓球組成，內球直徑d1=80mm，外球直徑d2=160mm。內球內部裝有電加熱器，被測材料置於兩同心球之間，熱量通過被測材料傳給外球，然後通過外球表面與空氣之間的對流傳給空氣，內球表面均勻分布3對銅—康銅熱電偶，可測內球壁溫 ，外球內表面也均勻分布3對銅—康銅熱電偶，測量外球壁溫 。
實驗檯面由圓球導熱儀、冰瓶、電源開關、加熱按鈕、測試按鈕、電源指示燈、加熱指示燈、測試指示燈、sy821型轉換開關、pz158a型直流數字電壓表、wyj型可調式直流穩壓電源、電壓表、xmt606型顯示、控制、變送智慧型儀表組成（如圖1-1所示）。
圖1-1 圓球導熱儀體及測量系統
1.按圖1－1接好轉換開關、直流數字電壓表、直流穩壓電源、圓球導熱儀。
2.開啟電源開關，此時電源指示燈亮。觀察電壓表的數值是否為220伏，按下加熱按鈕，此時加熱指示燈亮。
分別調節可調式直流穩壓電源的穩壓粗調和細調旋鈕，使輸出電壓值為30～40伏之間，並記下電壓值和電流值。對圓球導熱儀進行加熱3～4個小時，使其達到穩定狀態
3.待圓球導熱儀達到穩定後，按下直流數字電壓表的200mv按鈕，使其最大量程為200mv。按下測試按鈕，將轉換開關從標準，依次轉至1、2、3、4、5處，分別讀出直流數字電壓表顯示的數值。
其中標準、1、2處的溫度為內球壁溫，3、4、5處的溫度為外球壁溫。每隔5分鐘測量一次，測量3～4次，然後將最後一組資料取平均值。
4.根據熱電勢值mv查閱銅—康銅熱電偶分度表，求得各點溫度值。
5.實驗結束後，再次按下測試按鈕、加熱按鈕，關閉電源開關。
1. 快速測量絕熱材料的導熱係數和比熱。
2. 掌握使用熱電偶測量溫差的方法。
圖2—1 第二類邊界條件無限大平板導熱的物理模型
本實驗是根據第二類邊界條件，無限大平板的導熱問題來設計的。設平板厚度為2。初始溫度為，平板兩面受恆定的熱流密度均勻加熱（見圖2—1）。
求任何瞬間沿平板厚度方向的溫度分布。平板中心面處和平板加熱面處兩面的溫差為：
=得出導熱係數：
式中，—平板的導熱係數，
—沿x方向給平板加熱的恆定熱流密度，
—平板的厚度，
—兩面的溫差，
根據熱平衡原理，在準穩態有下列關係：
式中，—平板的橫截面積
—試件材料的密度
—試件材料的比熱
—準穩態時的溫公升速率
由上式可求得比熱為：
實驗時， 以試件中心處為準。
圖2—2 實驗裝置簡圖
圖2—2為準穩態平板法測試裝置圖。利用四塊表面平整，尺寸為完全相同的被測試件(材料為有機玻璃，其導熱係數一般為0.140—0.
198)，每塊試件的厚度為。將四塊試件疊在一起並裝入兩個同樣的高電阻康銅箔平面加熱器，加熱器面積和試件的相同。用導熱係數比試件小得多的材料作絕緣層，力求減少通過它的熱量，使試件1，4與絕緣層的接觸面接近絕熱。
這樣可假定等於加熱器發出的熱量的1/2，即。利用熱電偶測量試件2兩面的溫差及2、3接觸面中心處的溫公升速率。熱電偶冷端放在冰瓶中，保持零度。
1. 按要求連線線路，接好熱電偶與sy821型轉換開關的導線及轉換開關與pz158a型直流數字電壓表的連線。
2. 開啟直流穩壓穩流電源開關，先將穩壓調節按鈕順時針調節到最大，同時將穩流調節按鈕均逆時針調到最小。接上所需負載，再順時針調節穩流按鈕使輸出電流至所需穩定電流值，電流值一般在0.
2a左右，以保證恆定電流加熱試件。
3. 啟動秒錶，每隔一分鐘測量一次。經一段時間後（一般在10-20min）系統進入準穩態。待進入準穩態後記錄資料，並記錄電流、電壓值。
4. 實驗完畢後，切斷電源。
1. 直流數字電壓表使用前必須預熱1小時（經劇烈條件變化或長期不用時預熱時間在2-3小時）。在插上電源線前必須關閉電源開關，以免燒斷保險絲。
2. 在使用直流數字電壓表，本實驗一般採用200mv量程測量，注意不要用手觸控其中乙個金屬端子，並保證測量兩端子的熱平衡後在進行調零或測量。
3．必須把直流穩壓穩流電源作為恆流源使用，電流一般在0.2a左右，加熱功率在10w左右。
4. 測量時一定按下測量按鈕，以免帶來較大誤差。同時測量應先測加熱面溫度，然後旋轉轉換開關測量中心面溫度，並要求復位。
5. 實驗要求一次成功，如中途失敗，需待試件冷卻至室溫後才能進行第二次測量。
1.了解實驗裝置，熟悉空氣流速及管壁溫度的測量方法，掌握測試儀器、儀表的使用方法。
2.測定空氣橫掠單管時的表面傳熱系數，掌握將實驗資料整理成準則方程式的方法。
3.通過對實驗資料的綜合整理，掌握強迫對流換熱實驗資料的處理及誤差分析方法。
根據牛頓冷卻公式，壁面平均傳熱系數為：
式中: —管壁平均溫度，℃
—流體的平均溫度，℃
—管壁的換熱面積，
—對流換熱量，
由相似原理，流體受迫外掠物體時的放熱係數與流速物體幾何形狀及尺寸物性引數間的關係可用準則方程式描述：
下標m表示用空氣膜平均溫度作特徵溫度
又有特徵數準則方程：
—努塞爾（nusself）準則數
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