传热学实验指导

传热学综合实验指导书李长仁富丽新编写沈阳航空工业学院动力工程系2004．01实验一空气纵掠平板时参数的测定流体纵掠平板是对流换热中最典型的问题，总是被优先选作教学中对流换热的对象，是可以分析求解的最简单情况，可以籍此阐明对流换热的原理和基本概念。

本实验应用空气纵掠平板对流换热装置完成以下三个实验：1.空气纵掠平板时局部换热系数的测定；2.空气纵掠平板时流动边界层内的速度分布；3.空气纵掠平板时热边界层内的温度分布。

一空气纵掠平板时局部换热系数的测定1.实验目的1)流体纵掠平板是对流换热中最典型的问题之一，通过空气纵掠平板时局部换热系数的测定，加深对对流换热基本概念和规律的理解。

2)通过对实测数据的整理，了解局部换热系数沿平板的变化规律，分析讨论其变化原因。

3)了解实验装置的原理，学习对流换热实验研究方法和测试技术。

2.实验原理恒热流密度下，沿板长局部换热系数改变，联系着壁温沿板长也变化，因此就存在纵向导热。

同时壁温不同向外界辐射散热也不同。

为了确定对流换热系数，必须考虑纵向导热和辐射的影响。

图1微元片热平衡分析对平板上不锈钢片进行热分析，取其微元长度dx，如图1所示，在稳定情况下的热平衡：电流流过微左侧导入右侧导对流传给辐射散对板体元片的发热 + 热量 = 出的热 + 空气的热 + 失的热 + 的散热量Qδ/Q g Q cdin量Q cdout量Q cv量Q R量Q cd各项可分别写为：dx L VI dx b q Q v g ⎪⎭⎫⎝⎛=⋅⋅⋅=2δx s cdin dxdT b Q |⋅⋅⋅-=δλ ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅⋅-=⋅⋅⋅-=+dx dx dT dx d dx dT b dx dT b Q s dx x s cdout δλδλ| ()bdx T T Q f x cv -=α()bdx T T Q f b R 44-=εσ0=cd Q式中： b ─片宽,m δ─片厚,m L ─平板长度,m V ─不锈片两端电压降,V I ─流过不锈钢片的电流量,Iq v ─电流产生的体积发热值λs ─不锈钢片的导热系数,w/(m •℃)T ─不锈钢片壁温,K T f ─空气来流温度,Kαx ─离板前缘x 处的局部换热系数,w/(m 2•℃) ε─不锈钢片黑度σb ─斯蒂芬波尔兹曼常数=5.67×10-8,w/(m 2·K 4) 代入微元片热平衡式后得出局部换热系数的表达式：()ff b s x T T T T dx Td bL VI ---+=44222εσδλα (1) 上式中V 、I 、T 、T f 均可由测试得到，但由于壁温T 随x 变化，只能用作图法求d 2T /dx 值。

传热学实验指导书XX大学XX学院XX系二〇一X年X月一、导热系数的测量导热系数是反映测量热性能的物理量，导热是热交换三种基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各研究领域的课题之一。

要认识导热的本质特征，需要了解粒子物理特性，而目前对导热机理的理解大多数来自固体物理实验。

材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。

因此，材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类有关，而且与它的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系。

在科学实验和工程设计中所采用材料导热系数都需要用实验方法测定。

1882年法国科学家J ·傅里叶奠定了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律的基础上，从测量方法来说，可分为两大类：稳态法和动态法，本实验是稳态平板法测量材料的导热系数。

【实验目的】1、了解热传导现象的物理过程2、学习用稳态平板法测量材料的导热系数3、学习用作图法求冷却速率4、掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法【实验仪器】1、YBF-3导热系数测试仪 一台2、冰点补偿装置 一台3、测试样品（硬铝、硅橡胶、胶木板） 一组4、塞尺 一把5、游标卡尺（量程200mm ） 一把6、天平（量程1kg ，分辨率0.1g ） 一台【实验原理】为了测定才材料的导热系数，首先从热导率的定义和它的物理意义入手。

热传导定律指出：如果热量是沿着Z 方向传导，那么在Z 轴上任一位置Z 0，处取一个垂直截面A （如图1）以dt/dz 表示Z 处的温度梯度，以dQ/d τ表示该处的传热速率（单位时间通过截面积A 的热量），那么传导定律可表示为：()0z z dz dt d dQ A =-==Φλτ 1-1式中的负号表示热量从高温向低温区传导（即热传导的方向与温度梯度的方向相反）。

实验三 中温法向辐射时物体黑度的测定实验一、 实验目的1、通过实验加深对物体黑度及有关概念的认识 2、 用比较法，定性测定中温法向辐射时物体的黑度ε二、 实验原理在由 个物体组成的辐射换热系统中，利用净辐射法，可以求该物体的纯换热量：Q netiQ neti =Q absi -Q ei=()1nK K bi k di F Eeff dk idF iE Fi φε=•-∑式中：Q neti —i 面的净辐射换热量Q absi —i 面从其他表面的吸热量Q ei —i 面本身的辐射热量()dk i φ—K 面对i 的角系数i ε—i 面的黑度E eff.k —k 面的有效辐射力di —i 面的吸收率Fi —i 面的面积根据本实验的设备情况,可以认为:1.热源 1.传导圆筒2.为黑体2. 热源 1. 传导圆筒 2.待测物体（受体）3.它们表面上的温度均匀（见图1）1231. 热源2. 黑体圆筒3. 待测物体（受体）因此,公式（1）可写成().3111.3.22233333net b b b Q E F E F E F αφφε=+- 由于: 13333212F F αεϕϕ===又根系数的互换性:223332F F ϕϕ=则: ()333113212333net b b b Q q E E E F εϕϕε==+- 312123()b b b E E E εϕ=+-由于受体3与环境主要一对流方式换热，因此：331()q a t t =-式中：a ——自由对流换热系数3t ——受体3的温度1t ——环境的温度由（2）、（3）式可得：3131132123()b b b a t t E E E εφφ-=+-当热源1和黑体圆筒2的表面温度一致时，1b E = 2b E ，并考虑到，体系1，2，3为封闭体系，则13121φφ+=由此，（4）可以写成：1313441313()()()f b b b a t t a t t E E T T εσ--==-- 式b σ为斯蒂芬—波尔茨曼常数，其值为：8245.710/W m k -⨯对不同的待测物体（受体）a.b 其黑度分别为：3443()()a af a a a a T T T T εσ∂-=- 34413()()b b f b b b a T T T T εσ-=-设a ε=b ε则： 4431344313a f a b b b b f a a T T T T T T T T εε--=--当b 物体为黑体时，有；b ε=1，则6式可以写成：4431344313a f b b a b f a a T T T T T T T T ε--=--三、实验仪器设备 主要仪器设备有中温发向辐射时物体黑度的测定装置，电位差计等详见下列装置示意图图中:1、热源腔体2、传导体（黑体腔体）3、受体腔体4、热源电压表5、电源开关6、电源开关7、测温琴键开关8、测温接线柱（接电位差计）9、热源调温旋纽10、传导体调温旋纽11、传导体加热电压表12、电流表13、信号灯14、导轨15、电位差计四、实验步骤1、将热源体温表和受体制改革对正，靠近黑体圆筒2，不要接触，保持有1mm左右的距离2、接好电源线和测温信号线3、按电位差的计的使用方法进行调零，校准，并选好灵敏度和量程4、接通电源，此时信号灯亮，表示热源，传导体（黑体圆筒）的加热正常调节热源电压旋扭9，使电压值在70—80V之间，调节传导体电压旋扭10，使其电压值在110—130V之间，在温度基本稳定后（一般需30分钟），用电位差计进行监测，实验要求，热源和传导体的温度尽可能接近。

《传热学》实验指导书黄金张国庆广东工业大学材料与能源学院实验指导书实验项目名称：两种传热方式性能参数的综合测定 实验项目性质：专业基础课实验（综合性实验） 所属课程名称：传热学 实验计划学时：4一、 实验目的1．熟悉在稳定热流条件下，用平板法测定导热系数的方法。

2．掌握在不同温度条件下，试材导热系数的测定。

3．了解确定导热系数与温度的变化关系。

4．了解对流换热的实验研究方法。

5．测定空气横向流动管簇表面时的平均放热系数α，并将实验数据整理成准则方程式。

6．学习测量风速、温度、热量的基本技能。

二、 实验内容和要求实验测试内容分两部分进行，分别为平板法测定材料的导热系数、强迫对流管簇管外换热系数测定及中温物体辐射黑度测定。

1．第一部分测试内容－平板法测定材料的导热系数平板法是应用一维稳定导热过程的基本原理，测定绝热材料导热系数的实验测定方法之一。

本装置由的中心为一发热板，通电后发出热量Q=IV （W ）向两侧导热，如测得中心发热板和两侧冷板之间的温差t ∆，又已知试材厚度δ和试材的传热面积F F ，则可得试材的导热系数：t F VI ∆=2/δλ。

本实验装置由实验装置本体1～5，硅整流电源6，转换开关7，电位差计8等组成，见附图一所示。

热源板见附图二所示，为两块180×180mm 直接通电的薄膜发热板对称复合而成（可以视为均匀板），每块板对称复合而成可以分成9个60×60mm 的发热区。

以中心部位为测试区。

其余部分为保证一维导热的辅助加热区。

在热源板上装有铜—康铜电偶，以测出其温度。

冷侧均温板为附有二平行布置的蛇形冷却管的铜板。

二蛇形管内水流方向相反，以使冷侧板温度分布均匀。

在板上装有铜—康铜热电偶，以测出该处温度。

所有热电偶的电势、中心热源板的电压、通过标准电阻的电压降，都经过转换开关后由电位差计测量。

线路见附图三。

表1列出转换开关位置相对应的测量值。

热电偶冷端放于冰水瓶中。

《传热学》实验指导书热工教研室编目录实验要求 (2)实验一球体法粒状材料的导热系数的测定 (3)实验二平板法导热系数的测定 (7)实验三套管换热器液-液换热实验 (12)实验四中温辐射黑度的测定 (16)附录1 铜－康铜热电偶分度表 (22)附录2 精密数字温度温差仪使用方法 (23)实验要求1．实验前应预习与实验有关的教材内容和实验指导书，了解实验目的、实验原理和实验要求，做到心中有数。

2．在实验室要首先熟悉实验装置的构造特点、性能和使用方法，使用贵重仪器时需得到指导教师的许可，方可动用。

3．实验时应严肃认真、一丝不苟，细致地观察实验中的各种现象，并作好记录，通过实验，训练基本操作技能和培养科学的工作作风。

4．实验结束时，学生先自行检查全部实验记录，再经指导教师审阅后，方可结束实验。

5．学生实验时，如出现实验仪器损坏情况，应及时向指导教师报告。

6．按规定格式认真填写实验报告，并按期交出。

实验一球体法粒状材料的导热系数的测定一、实验目的1.巩固稳定导热的基本理论，学习球体法测定物质的导热系数的实验方法；2.实验测定被测材料的导热系数λ；3. 绘制出材料导热系数λ与温度t的关系曲线。

二、实验原理加热圆球（见图1）由两个壁厚1.2毫米的大小同心圆球（1）组成。

小球内装有电加热器（2）用来产生热量。

大球内壁与小球外壁各设有三对铜-康铜热电偶（4）。

当温度达到稳定状态后，电加热器产生的热量全部通过中间的测试材料（3）传到外气。

1.大小同心球；2.电加热器；3.颗粒状试材；4.铜康铜热电偶；5.专用稳压电源；6.专用测试仪；7.底盘；8.UJ36a电位差计图1 加热圆球示意图测取小球的温度t1，t2，t3, 取其平均温度：T1=(t1+ t2+ t3)/3；测取大球的温度t4，t5, t6，取其平均温度：T2=(t4+ t5+ t6)/3；根据圆球导热公式：λ=[UI(1/ D1-1/D2)]/[2π（T1+ T2）]-----------(1); 式中：U——加热电压；I——加热电流；D1——小球直径；D2——大球直径；三、实验装置及主要技术指标实验装置YQF-1型导热系数测定仪的面板图见图2专用电源的面板图见图3图2 YQF-1型导热系数测定仪的面板图图3 专用电源的面板图1．电源开关；2．电源指示灯；3． 3.5位数显毫伏表；4．毫伏表调零电位器；5．补偿电压调节电位器；6．补偿按键；7．热电偶测量电压输出端；8．热电偶输入选择开关。

热传导的实验探究
热传导是物体中热量传递的重要方式之一。

通过实验探究热传导现象，我们可以更好地理解热传导的原理和特性。

实验材料和设备：
- 两个金属棒（例如铜和铝）
- 一个加热源（例如燃气灶）
- 一个温度计
- 一个计时器
实验步骤：
1. 将金属棒固定在实验台上，确保两个金属棒之间有一定的间隔。

2. 将一个金属棒的一端与加热源接触，使其受热。

3. 使用温度计，分别在受热金属棒的一端和另一个金属棒的一端测量温度，并记录下来。

4. 同时启动计时器，记录下实验开始后过去的时间。

5. 每隔一段时间，测量一次金属棒的温度，并记录下来。

6. 继续测量和记录直到金属棒的温度基本稳定。

实验结果：
根据实验记录的数据，我们可以绘制出金属棒温度随时间变化
的曲线图。

该图表可以帮助我们观察和分析热传导的过程。

实验讨论：
通过观察曲线图，我们可以发现，随着时间的增加，金属棒的
温度逐渐变化，直到达到一定的稳定值。

这说明热能在金属棒中传
导的过程。

实验延伸：
如果有条件，我们还可以对不同材料、不同温度和不同长度的
金属棒进行类似的实验，以探究它们对热传导的影响。

总结：
热传导的实验探究可以加深我们对热传导原理和特性的理解。

通过观察和记录金属棒温度随时间变化的过程，我们可以对热传导
现象有更深入的认识，并进一步扩展实验以深入研究热传导的规律。

传热学实验指导书上海应用技术学院2009年6月前言 (1)实验一物体（耐火材料）导热系数测定 (2)实验二自然对流放热系数的测定 (5)实验三法向热辐射率测试 (12)传热学课程的课内实践共开设三个项目，实验一：物体（耐火材料）导热系数测定；稳定状态时，通过样品上表面的热流量与散热盘向周围散热的速率相等计算样品的导热量，从而测出样品的导热系数。

实验二：为自然对流放热系数的测定，通过本试验观察高温的物体在容器内引起的自然对流的现象建立起由于温差产生流体自由流动的知识，测定水自然对流时的放热系数，整理；实验三：为法向热辐射率测试，其目的培养学生三性的能力，掌握热辐射率的测试方法，了解各种物体的热辐射率（黑度）。

实验一 物体（耐火材料）导热系数测定一、 实验目的掌握物体导热系数的测定方法，了解耐火材料导热系数大小的基本情况。

二、 实验原理依据物理学家——傅里叶导热方程，在物体内部，取二个垂直于热传导方向。

彼此相距为h ，温度分别为θ1、θ2的平行面（设θ1>θ2），如果平面的面积均为S ，在δt 时间内通过面积S 的热量δQ 满足下述表达式。

2212121)()(:2R htm C S h t Q hS t Q⋅⋅-⨯∆∆⋅⋅=⋅-=-⋅⋅==πθθθθθδδλθθλδδθθ则三、 仪器名称导热系数测定 称重天平游标尺、千分卡尺 冰水混合物图1 导热系数测定仪四、 安装步骤1.将样品放在加热盘和散热盘中间，然后固定；调节底部的三个微调螺母，使样品与加热盘、散热盘接触良好。

2.将热电偶的两个插头插在表盘的测2上把冷端放在装有冰水混合物的杜瓦瓶内的细玻璃管中，热端插在散热盘的小插孔上；将热电偶的两个插头插在表盘的测1上把冷端放在装有冰水混合物的杜瓦瓶内的细玻璃管中，热端插在加热盘的小插孔上。

3.插好加热板的电源插头；再将Q9线的一端与数字电压表相连，另一端插在表盘的中间位置。

4.最后，分别接好导热系数测定仪、数字电压表的电源。

实验一 非稳态法测量材料的导热性能实验一、实验目的1. 快速测量绝热材料的导热系数和比热。

2. 掌握使用热电偶测量温差的方法。

二、实验原理X图1 第二类边界条件无限大平板导热的物理模型本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。

设平板厚度为2δ。

初始温度为t 0，平板两面受恒定的热流密度q c 均匀加热（见图1）。

求任何瞬间沿平板厚度方向的温度分布t(x,τ)。

导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件如下：22),(),(x x t a x t ∂∂=∂∂τττ初始条件 0)0,(t x t =边界条件x=0,0),0(=∂∂xt τX=δ,0),(=+∂∂λτδcq x t 方程的解为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+--=-∑∞=+1221220)exp(cos(2)1(63),(n o n n n n c F x x a q t x t μδμμδδδδλττq c式中： t —温度； τ—时间； t 0 — 初始温度；ɑ — 平板的导温系数； μn — n π n=1,2,3,……2δτa Fo =— 傅立叶准则； q c— 沿方向从端面向平板加热的恒热流密度；随着时间t 的延长，Fo 数变大，上式中级数和项愈小。

当Fo>0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，上式变成：)612(),(220-+-=-δτδτλδτa a q t x t c 由此可见，当Fo>0.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是常数，并且到处相同。

这种状态称为准稳态。

在准稳态时，平板中心面x=0处的温度为：)61(),0(20-=-δτλδτa q t t c 平板加热面X=δ处为：)31(),(20+-=-δτλδτδa q t t c 此两面的温差为：λδττδcq t t t 21),0(),(=-=∆如已知q c 和δ，再测出t ∆，就可以由上式求出导热系数：tq c∆=2δλ式中，λ—平板的导热系数，oW /(m C)⋅ cq —沿x 方向给平板加热的恒定热流密度，2W /mδ—平板的厚度，mt ∆—平板中心面x=0处和平板加热面x=δ处两面的温差，o C又，根据热平衡原理，在准稳态有下列关系：式中，F —平板的横截面积ρ—试件材料的密度C —试件材料的比热—准稳态时的温升速率由上式可求得比热为：实验时， 以试件中心处为准。

实验一 传热实验一、实验目的1、学习总传热系数及对流传热系数的测定方法；2、利用测定的对流传热系数，检验通用的给热准数关联式；3、应用传热学的概念和原理去分析强化传热过程等问题。

二、实验任务测定空气在圆形光滑直管中作湍流流动时对流传热准数关联式。

三、实验原理1、无相变时，流体在圆形直管中强制对流时的给热系数（亦称对流传热系数）的关联式为（1）λαd Nu =对空气而言，在较大的温度和压力范围内Pr 准数实际上保持不变，取Pr=0.7。

因流体被加热，故取b ＝0.4，Prb 为一常数，则上式可简化为：（） （2）将上式两边取对数得：(3)上式中～作图为一直线。

实验中改变空气的流速以改变值，同时根据牛顿冷却定律求出不同流速下的给热系数a ，得出数Nu 和数Re 之间的函数关系，由式（3）确定出式中的系数A 与指数a 。

2、根据传热速率方程：m t KS Q ∆=当管壁很薄时，可近似当成平壁处理。

且由于管壁材料为黄铜，导热系数大，可以忽略管壁传导热阻。

又因为在该传热实验中，空气走内管，蒸气走外管。

o i 《αα因此， 对流传热系数i α≈K 。

im i S t Q ⨯∆=α （4）式中：i α—管内流体对流传热系数，W/(m 2·℃)； Q —管内传热速率，W ； S i —管内换热面积，m 2；m t ∆—内壁面与流体间的温差，℃。

3、在套管换热器中传热达稳定后，根据牛顿冷却定律和热衡算式有如下的关系： )(12t t Cp W Q m m -= （6） 其中质量流量由下式求得：3600m m m V W ρ=式中：Q ：传热速率, W ； Vm ：空气的体积流量, m3/s ；ρm ：空气的密度, kg/m3； ：空气的平均比热, J/kg× ℃；t1：空气的进口温度, ℃； t2：空气的出口温度, ℃； Δtm ：内管管壁与空气温差的对数平均值（5）式中T 为内管管壁的温度, ℃。

t 1，t 2 —空气的入口、出口温度，℃；管内换热面积： i i L d S π= （7） 式中：d i —内管管内径，m ；L i —传热管测量段的实际长度，m 。