[實驗一]用球體法測定粒狀材料的導熱係數
一、實驗目的
1、鞏固和深化穩態導熱的基本理論，學習測定粒狀材料的熱導率的方法。
2、確定熱導率和溫度之間的函式關係。
二、實驗原理
熱導率是表徵材料導熱能力的物理量，其單位為w/(m·k)，對於不同的材料，熱導率是不同的。對於同一種材料，熱導率還取決於它的化學純度，物理狀態（溫度、壓力、成分、容積、重量和吸濕性等）和結構情況。各種材料的熱導率都是專門實驗測定出來的，然後匯成圖表，工程計算時，可以直接從圖表中查取。
球體法就是應用沿球半徑方向一維穩態導熱的基本原理測定粒狀和纖維狀材料導熱係數的實驗方法。
設有一空心球體，若內外表面的溫度各為t1和t2並維持不變，根據傅利葉導熱定律：
1）邊界條件2）
1、若λ= 常數，則由（1）（2）式求得
[w][w/(m·k3)
2、若λ≠ 常數，（1）式變為
4）由（4）式，得
將上式右側分子分母同乘以（t2－t1），得
5)式中項顯然就是λ在t1和t2範圍內的積分平均值，用表示即，工程計算中，材料的熱導率對溫度的依變關係一般按線性關係處理，即。因此，
。這時，(5)式變為
[w/(m·k6）
式中，為實驗材料在平均溫度下的熱導率，
為穩態時球體壁面的導熱量，
分別為內外球壁的溫度，
分別為球壁的內外直徑。
實驗時，應測出和，並測出，然後由（3）或（6）得出。
如果需要求得λ和t之間的變化關係，則必須測定不同下的值，由
7）可求的值，得出λ和t之間的關係式。
三、實驗裝置
導熱儀本體結構和測量系統如圖1-1所示。
本體有兩個很薄的銅製同心球殼1和2組成。內球殼外徑為d1，外球殼外徑為d2，在兩球殼之間均勻填滿粒狀材料（如砂子、珍珠岩、石棉灰等）。內殼中裝有電加熱器，它產生的熱量將通過粒狀材料導至外殼，為使內外球殼同心，兩球之間有支撐桿。
由試料匯出的熱量從外殼表面以自然對流的方式由空氣帶走，球外商部和下部的空氣流動情況不同，外球表面溫度分布不均勻，因此在內外球殼的表面上各埋置3~6個對熱電偶，用來測量內外球殼的溫度，並取其平均值作為球壁的表面溫度。
球內試料應力求鬆緊均勻，填滿空間，室溫應盡量保持不變，避免日光直射球殼，應防止人員走動、風等對球殼表面空氣自由流動的干擾，以便使外球殼的自然對流放熱狀態穩定，這樣才能在試料內建立一維穩態溫度場。
四、實驗步驟
1、將試料烘乾，並根據給定的被測材料的容量，算出儀器內所需裝填的試料重量，然後均勻的裝入球內；
2、將所有儀器儀表按圖1-1接好，並經指導教師檢查；
3、接通電源，用調壓變壓器將電壓調到一定的數值並保持不變，觀察各項測量資料的變化情況；
4、當各項資料基本不隨時間變化時，說明系統已達穩定狀態，開始測量並記錄，每隔5分鐘測一次，並測3次；
5、整理資料，選取一組資料，代入計算式，計算值；
6、改變電加熱器的電壓，即改變熱流，使它維持在另一數值上，當達到新的穩態後，重複步驟4和5，得到新的值。
利用兩種情況下的值，由（7）式求得值，得出λ和t之間的關係式。
五、實驗報告要求
1、畫出實驗裝置系統簡圖；
2、實驗過程中所測量的原始資料記錄
3、實驗**和計算結果
4、實驗結果的誤差分析和討論
六、思考題
1、試料填充的不均勻所產生的影響是什麼？
2、內外球殼不同心所產生的影響是什麼？
3、室內空氣不平靜會產生什麼影響？
4、怎樣判斷、檢驗球體導熱過程已達到穩態？
5、怎樣按測得的資料，計算圓球表面自然對流換熱係數？
6、球體導熱儀從開始加熱到熱穩態所需時間取決於哪些因素？
[試驗二] 空氣橫掠單管時平均換熱係數的測定
熱交換器中廣泛使用各種管子作為傳熱元件，其外側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係數是傳熱中的基本試驗。本實驗是測定空氣橫向掠過單圓管時的平均換熱係數。
一、 實驗目的及要求
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．通過對實驗資料的綜合、整理，掌握強制對流換熱實驗資料整理的方法；
3．了解空氣橫掠管子時的換熱規律。
二、 基本原理
根據對流換熱的分析，穩定受迫對流的換熱規律可用下列準則關係式來表示：
1）對於空氣，溫度變化範圍又不大，上式中的普朗特數變化很小，可作為常數看待。故上式簡化為：
2）其中
其中：――空氣橫掠單管時的平均換熱係數，；
――來流空氣的速度，；
d――定型尺寸，取管子外徑，；
――空氣的導熱係數，；
――空氣的運動粘度，
要通過實驗確定空氣橫向掠過單管時與的關係，就要求實驗中雷諾數有較大範圍的變化，才能保證求得的準則方程式的準確性。改變雷諾數可以通過改變空氣流速及管子直徑d來達到。改變流速受風機壓頭及風量的限制。
本實驗採用不同直徑的管子作實驗管，並在不同的空氣速度條件下進行實驗，就可以達到較大範圍的變化。
因此要對不同直徑的管子進行實驗，測量的基本量為：管口的空氣流速、空氣溫度、管子表面的溫度及管子表面散出的熱量。然後將全部實驗結果整理在一起，以求得換熱準則關係的具體表示式。
三、實驗裝置及測量系統
實驗裝置本體是由風源和實驗段構成。
風源為一箱式風洞，似乙個工作台。風機、穩壓箱、收縮口都設定在箱體內。風箱**為空氣出風口，形成一有均勻流速的空氣射流。
實驗段的風道直接放置在出風口上。風機吸入口有一調節風門，可以改變實驗段風道中的空氣流速。
圖1為測定空氣橫掠單管平均換熱係數的實驗段簡圖。
圖1 實驗段
實驗段風道1由有機玻璃製成。實驗管2為不鏽鋼薄壁管，橫置於風道中間。為了保證管子加熱量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。
管子兩端經接座與電源導板3連線，並易於更換不同直徑的實驗管。為了準確測定實驗管上的加熱功率，在離管端一定距離處焊有二個電壓測點a、b，以排除管子兩端的影響。銅－康銅熱電偶5設定在管內，在絕熱條件下準確地測量出管內壁溫度，然後確定出管外壁溫度。
圖2為該實驗裝置及其測量系統簡圖。
圖2 測定空氣橫掠單管平均換熱係數的試驗裝置簡圖
1.電源 2.風源 3傾斜式微壓計 4.畢託管
5.電位差計 6.轉換開關 7. 熱電偶冷端 8.熱電偶熱端
實驗管加熱用的低壓大電流直流電由矽整流電源1供給，調節整流電源輸出電壓可改變對管子的加熱功率。電路中串聯乙個標準電阻，測量標準電阻上的電壓降，可以確定流過不銹鋼管的電流量，電流值由整流電源上的電流錶讀出。實驗管兩測壓點a，b間的電壓用電位差計測量。
由於受電位差計量程限制，測量a，b間電壓的電路中接入分壓箱。
為了簡化測量系統，測量管內壁溫度的熱電偶，其參考點溫度不是攝氏零度，而是空氣溫度。即熱電偶的熱端8設在管內，冷端7則放在風道空氣流中。所以熱電偶反映的為管內壁溫度與空氣溫度之差的熱電勢，經過轉換開關，用電位差計測量。
風道上裝有畢託管4，通過傾斜式微壓計3測出試驗段中的空氣流的動壓，以確定實驗段中空氣流的流速。
空氣流的溫度用水銀溫度計測量。
四、實驗步驟
1．聯接並檢查所有線路和裝置。將矽整流電源電壓調節旋鈕轉至零位。然後接通風機電源，調節風門至最大風量。
再接通整流電源，將電流調到指定的參考值。將微壓計、熱電偶讀數穩定後即可測量各有關資料。
2．保持加熱功率基本不變，調風門關小，穩定後又可測到一組資料。實驗時對每一種直徑的管子，空氣流速可調整4－5個工況。加熱電流及電壓可保持不變，亦可根據管子直徑及風速大小適當調整，保持管壁與空氣間有適當的溫差。
每調整乙個工況，須待微壓計、熱電偶讀數等穩定後方能測量各有關資料。
五、實驗資料的計算與整理
實驗用不銹鋼管：
共六根直徑d＝2.5～7.3mm範圍管長為160mm 測壓點a ,b間距離約100mm。
1． 空氣來流速度
3）其中：⊿h――畢託管測得空氣流的動壓，；
――空氣密度，
2． 管壁溫度
實驗管為有內熱源的圓筒形壁，且內壁絕熱，因此，內壁溫度大於外壁溫度。（根據管內溫度可以計算外壁溫度）。由於所用管壁很薄，僅0.
2～0.3mm，且空氣對管外的換熱係數較小，可足夠準確地認為＝。
3． 流過試驗管的電流
標準電阻為50a/75mv,所以測得標準電阻上每的電壓降等於電流流過，即：
4）其中：――標準電阻兩端的電壓降，。
4． 實驗管工作段a ,b間的電壓降
5）其中：――分壓箱倍率，＝201；
v2――a ,b間電壓經分壓箱後測得的值，。
5． 試驗管工作段a ,b間的發熱量
6）6． 空氣流對管外壁的平均換熱係數
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