[实验一]用球体法测定粒状材料的导热系数

[实验一]用球体法测定粒状材料的导热系数 [实验一]用球体法测定粒状材料的导热系数 一、实验目的 1、巩固和深化稳态导热的基本理论，学习测定粒状材料的热导率的方法。 2、确定热导率和温度之间的函数关系。 二、实验原理 热导率是表征材料导热能力的物理量，其单位为W/(m?K)，对于不同的材料，热导率是不同的。对 于同一种材料，热导率还取决于它的化学纯度，物理状态(温度、压力、成分、容积、重量和吸湿性等) 和结构情况。各种材料的热导率都是专门实验测定出来的，然后汇成图表，工程计算时，可以直接从图表 中查取。 球体法就是应用沿球半径方向一维稳态导热的基本原理测定粒状和纤维状材料导热系数的实验方法。 设有一空心球体，若内外表面的温度各为t和t并维持不变，根据傅立叶导热定律: 12 dtdt2Ar (1) ,,,,,,4,,drdr r,r时t,t11边界条件 (2) r,r时t,t22 1、若λ= 常数，则由(1)(2)式求得 4,,rr(t,t)2,,dd(t,t)12121212,,,[W] r,rd,d2121 ,(d,d)21,, [W/(m?K)] (3) 2,dd(t,t)1212 2、若λ? 常数，(1)式变为 dt24r(t),,,,, (4) dr 由(4)式，得 rt22dr ,,,,(t)dt2,,4r,rt11 将上式右侧分子分母同乘以(t,t)，得 21 t2 (t)dt,,r2drt1 (5) ,,(t,t),212,t,t4r,21r1 tt22 ,(t)dt,(t)dt,,tt11,,式中项显然就是λ在t和t范围内的积分平均值，用表示即，工程计算中，,12mmtttt,,2121 ,,,(1，bt)材料的热导率对温度的依变关系一般按线性关系处理，即。因此， 0 t2 ,(1，bt)dt0,bt1,,,,[1，(t，t)]。这时，(5)式变为 012mt,t221 r2,,(d,d)dr21,,, [W/(m?K)] (6) m2,(t,t)2,dd(t,t)4r,121212r1 1,式中，为实验材料在平均温度下的热导率， t,(t，t)mm122 为稳态时球体壁面的导热量， , t、t分别为内外球壁的温度， 12 d、d分别为球壁的内外直径。 12 ,t、td、d实验时，应测出和，并测出，然后由(3)或(6)得出。 ,m1212 t,如果需要求得λ和t之间的变化关系，则必须测定不同下的值，由 mm,,,(1，bt)m10m1 (7) ,,,(1，bt)m20m2 ,、b,,,(1，bt)可求的值，得出λ和t之间的关系式。 00 三、实验设备 导热仪本体结构和测量系统如图1-1所示。 图1-1 导热仪本体结构和测量系统 1(内球壳 2(外球壳 3(电加热器 4(热电偶 5(转换开关 6(冰点保温瓶 7(电位差计 8(调压变压器 9(电压表 10(电流表 本体有两个很薄的铜制同心球壳1和2组成。内球壳外径为d1，外球壳外径为d2，在两球壳之间均匀 填满粒状材料(如砂子、珍珠岩、石棉灰等)。内壳中装有电加热器，它产生的热量将通过粒状材料导至 外壳，为使内外球壳同心，两球之间有支撑杆。 由试料导出的热量从外壳表面以自然对流的方式由空气带走，球外商部和下部的空气流动情况不同，外球表面温度分布不均匀，因此在内外球壳的表面上各埋置3~6个对热电偶，用来测量内外球壳的温度，并取其平均值作为球壁的表面温度。 球内试料应力求松紧均匀，填满空间，室温应尽量保持不变，避免日光直射球壳，应防止人员走动、风等对球壳表面空气自由流动的干扰，以便使外球壳的自然对流放热状态稳定，这样才能在试料内建立一维稳态温度场。 四、实验步骤 1、将试料烘干，并根据给定的被测材料的容量，算出仪器内所需装填的试料重量，然后均匀的装入球内; 2、将所有仪器仪表按图1-1接好，并经指导教师检查; 3、接通电源，用调压变压器将电压调到一定的数值并保持不变，观察各项测量数据的变化情况; 4、当各项数据基本不随时间变化时，说明系统已达稳定状态，开始测量并记录，每隔5分钟测一次，并测3次; ,5、整理数据，选取一组数据，代入计算式，计算值; m 材料 内球壳外径 外球壳内径 室温 测量 内球壳外面温度? 外球壳外面温度? 电加热器 次数 1 2 3 4 5 6 平均 1 2 3 4 5 6 平均 电流I 电压V 1 2 3 6、改变电加热器的电压，即改变热流，使它维持在另一数值上，当达到新的稳态后，重复步骤4和5， ,得到新的值。 m ,,、b,,,(1，bt)利用两种情况下的值，由(7)式求得值，得出λ和t之间的关系式。 m00 五、实验 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 要求 1、画出实验装置系统简图; 2、实验过程中所测量的原始数据记录 3、实验 表格 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 和计算结果 4、实验结果的误差分析和讨论 六、思考 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 1、试料填充的不均匀所产生的影响是什么, 2、内外球壳不同心所产生的影响是什么, 3、室内空气不平静会产生什么影响, 4、怎样判断、检验球体导热过程已达到稳态, 5、怎样按测得的数据，计算圆球表面自然对流换热系数, 6、球体导热仪从开始加热到热稳态所需时间取决于哪些因素, [试验二] 空气横掠单管时平均换热系数的测定 热交换器中广泛使用各种管子作为传热元件，其外侧通常为流体横向掠过管子的强制对流换热方式，因此测定流体横向掠过管子时的平均换热系数是传热中的基本试验。本实验是测定空气横向掠过单圆管时的平均换热系数。 一、实验目的及要求 1(了解实验装置、熟悉空气流速及管壁温度的测量方法，掌握测试仪器、仪表的使用方法; 2(通过对实验数据的综合、整理，掌握强制对流换热实验数据整理的方法; 3(了解空气横掠管子时的换热规律。 二、基本原理 根据对流换热的分析，稳定受迫对流的换热规律可用下列准则关系式来表示: Nu,f(Re,Pr) (1) 对于空气，温度变化范围又不大，上式中的普朗特数变化很小，可作为常数看待。故上式简化为: Pr Nu,f(Re) (2) hDuD其中 Re,Nu,,, 2W/(mK)其中:――空气横掠单管时的平均换热系数，; h u ――来流空气的速度，; m/s m D――定型尺寸，取管子外径，; W/(m:C)――空气的导热系数，; , 2,m/s ――空气的运动粘度， 要通过实验确定空气横向掠过单管时与的关系，就要求实验中雷诺数有较大范围的变化，NuReRe u才能保证求得的准则方程式的准确性。改变雷诺数可以通过改变空气流速及管子直径D来达到。改变流u速受风机压头及风量的限制。本实验采用不同直径的管子作实验管，并在不同的空气速度条件下进行实验，就可以达到较大范围的变化。 Re 因此要对不同直径的管子进行实验，测量的基本量为:管口的空气流速、空气温度、管子表面的温度及管子表面散出的热量。然后将全部实验结果整理在一起，以求得换热准则关系的具体表达式。 三、实验装置及测量系统 实验装置本体是由风源和实验段构成。 风源为一箱式风洞，似一个工作台。风机、稳压箱、收缩口都设置在箱体内。风箱中央为空气出风口，形成一有均匀流速的空气射流。实验段的风道直接放置在出风口上。风机吸入口有一调节风门，可以改变实验段风道中的空气流速。 图1为测定空气横掠单管平均换热系数的实验段简图。 图1 实验段 实验段风道1由有机玻璃制成。实验管2为不锈钢薄壁管，横置于风道中间。为了保证管子加热量测量及管壁温度测量的准确性，管子用低压直流电直接通电加热。管子两端经接座与电源导板3连接，并易于更换不同直径的实验管。为了准确测定实验管上的加热功率，在离管端一定距离处焊有二个电压测点a、b，以排除管子两端的影响。铜,康铜热电偶5设置在管内，在绝热条件下准确地测量出管内壁温度，然后确定出管外壁温度。 图2为该实验装置及其测量系统简图。 6 2 8ab471 5 3 图2 测定空气横掠单管平均换热系数的试验装置简图 1.电源 2.风源 3倾斜式微压计 4.毕托管 5.电位差计 6.转换开关 7. 热电偶冷端 8.热电偶热端 实验管加热用的低压大电流直流电由硅整流电源1供给，调节整流电源输出电压可改变对管子的加热功率。电路中串联一个 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 电阻，测量标准电阻上的电压降，可以确定流过不锈钢管的电流量，电流值由整流电源上的电流表读出。实验管两测压点a，b间的电压用电位差计测量。由于受电位差计量程限制，测量a，b间电压的电路中接入分压箱。 tt的热电偶，其参考点温度不是摄氏零度，而是空气温度。即为了简化测量系统，测量管内壁温度f1 热电偶的热端8设在管内，冷端7则放在风道空气流中。所以热电偶反映的为管内壁温度与空气温度之差t,tE(t,t)的热电势，经过转换开关，用电位差计测量。 1f1f 风道上装有毕托管4，通过倾斜式微压计3测出试验段中的空气流的动压，以确定实验段中空气流,h u的流速。 t空气流的温度用水银温度计测量。 f 四、实验步骤 1(联接并检查所有线路和设备。将硅整流电源电压调节旋钮转至零位。然后接通风机电源，调节风门至最大风量。再接通整流电源，将电流调到指定的参考值。将微压计、热电偶读数稳定后即可测量各有关数据。 2(保持加热功率基本不变，调风门关小，稳定后又可测到一组数据。实验时对每一种直径的管子，空气流速可调整4,5个工况。加热电流及电压可保持不变，亦可根据管子直径及风速大小适当调整，保持管壁与空气间有适当的温差。每调整一个工况，须待微压计、热电偶读数等稳定后方能测量各有关数据。 五、实验数据的计算与整理 实验用不锈钢管: 共六根直径D,2.5,7.3mm范围 管长为160mm 测压点a ,b间距离约100mm。 1( 空气来流速度 U ，29.81 (3) U,,,hm/s, mmHO其中:?h――毕托管测得空气流的动压，; 2 3kg/m ――空气密度， , t2( 管壁温度 w tt实验管为有内热源的圆筒形壁，且内壁绝热，因此，内壁温度大于外壁温度。(根据管内温度可w1 t以计算外壁温度)。由于所用管壁很薄，仅0.2,0.3mm，且空气对管外的换热系数较小，可足够准确地w tt认为,。 w1 3( 流过试验管的电流 I 标准电阻为50A/75mV,所以测得标准电阻上每的电压降等于电流流过，即: 1mV2/3A I,2，V/3 (4) A1 V其中:――标准电阻两端的电压降，。 mV1 4( 实验管工作段a ,b间的电压降 V ,3V,T，V，10 (5) V2 ――分压箱倍率，,201; 其中:TT V――a ,b间电压经分压箱后测得的值，。 mV2 5( 试验管工作段a ,b间的发热量 , (6) ,,IVW 6( 空气流对管外壁的平均换热系数 h ,h, (7) W/(mK)A(t,t)wf 2其中:A――电压测点a ,b间实验管的外表面积，。 m 7. 换热准则方程式 根据每一实验工况所测得的值，可计算出相应的值及值。在双对数坐标纸上，以为纵轴，NuReNu为横轴，将各工况点绘出，它们的规律可近似地用一条直线表示:lgNu,a，mlgRe (8) Re mNu,CRe则和之间的关系可近似表示为一指数方程的形式: (9) NuRe 其中a,lgC 如用:x,lgRe;y,lgNu,则可表示成: y,a，mx am根据最小二乘法原理，系数及可按下式计算: 2xyx ,yxxy ,nxy,,,,,,,a,m, 2222(x),nx(x),nx,,,, n其中:――实验的数目; xy,(lgRe)(lgNu); 22x,(lgRe) ; t，twf,t,在计算及时，所用的空气物性参数、，以边界层的平均温度为定性温度，查NuRe,m2 有关表格。 六、实验报告要求及注意事项 实验报告要求: 1(在双对数坐标纸上绘出各实验点，并用最小二乘法求出准则方程式。 2(将实验结果与有关参考书给出的空气横掠单管时换热的准则方程式与线图进行比较。 注意事项: 1(首先了解整个实验装置各个部分，并熟悉仪表的使用，特别是电位差计必须按操作步骤使用，以 免损坏仪器。 2(为确保管壁温度不致超过允许的范围，启动及工况改变时都必须注意操作顺序。启动时必须先开 风机，调整风速，然后对实验管通电加热，并调整到要求的工况。注意电流表上的读数，不允许超过工作 电流参考值。实验完毕时，必须先关加热电源，待试件冷却后，再关风机。