噶米传热学实验指导书

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t1和t2并维持不变，根据傅立叶导热定律：

A边界条件

dtdt4r2 （1） drdrrr1时tt1rr2时tt2 （2）

1、若λ= 常数，则由（1）（2）式求得

4r1r2(t1t2)2d1d2(t1t2)[W]

r2r1d2d1(d2d1) [W/(m·K)] (3)

2d1d2(t1t2)dt （4） dr2、若λ≠ 常数，（1）式变为

4r2(t)由（4）式，得

r2t2dr(t)dt 2r14rt1将上式右侧分子分母同乘以（t2－t1），得

t2r2drt1(t2t1) (5) 2t2t1r14r(t)dtt2(t)dt式中

t2t1t2t1项显然就是λ在t1和t2范围内的积分平均值，用m表示即

(t)dtmt1，工程计算中，材料的热导率对温度的依变关系一般按线性关系处理，即

t2t10(1bt)。因此，

t20(1bt)dtmt1t[1b02t12(t1t2)]。这时，(5)式变为

r2dr(d2d1)m(td [W/(m·K)] 1t2)2r14r2d12(t1t2)

式中，1m为实验材料在平均温度tm2(t1t2)下的热导率， 为稳态时球体壁面的导热量，

t1、t2分别为内外球壁的温度， d1、d2分别为球壁的内外直径。

实验时，应测出t1、t2和，并测出d1、d2，然后由（3）或（6）得出m。如果需要求得λ和t之间的变化关系，则必须测定不同tm下的m值，由

m10(1btm1) m20(1btm2)可求的0、b值，得出λ和t之间的关系式0(1bt)。

三、实验设备

导热仪本体结构和测量系统如图1-1所示。

（6） 7）

（

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 测量 次数 1 2 3 内球壳外径 外球壳内径 室温 内球壳外面温度℃ 1 2 3 4 5 6 平均 外球壳外面温度℃ 1 2 3 4 5 6 平均 电加热器 电流I 电压V 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m值。

利用两种情况下的m值，由（7）式求得0、b值，得出λ和t之间的关系式

0(1bt)。

五、实验报告要求

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、实验表格和计算结果

4、实验结果的误差分析和讨论

六、思考题

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]空气外掠单管管外放热系数的测定

一、实验目的

1、了解对流放热的实验研究方法。

2、测定空气横向流过单管表面时的平均放热系数h，并将试验数据整理成准则方程式，加深对相似理论的理解。

３、学习测量风速、温度和热量的基本技能。

二、实验原理

根据相似理论，流体受迫外掠物体时的放热系数h与流速、物体几何形状及尺寸、流体物性间的关系可用下列准则方程式描述：

Nuf(Re,Pr)

实验研究表明，流体横掠单管表面时，一般可将上式整理成下列具体的指数形式

NuCRenPrm

式中：c、n、m均为常数，由实验确定，

Nuhd,Reud,Pra

上述各准则中

d为实验管外径，作定性尺寸[m]

u 为流体流过实验管外最窄面处流速[m/s] λ为流体的热导率[W/(m·K)] 2

a为流体的导温系数[m/s]

2

ν为流体运动黏度[m/s] 定性温度用流体边界层的平均温度tm1(twtf)，鉴于实验中流体为空气，2Pr0.7，故准则式可化为NuCRen

本实验的任务在于确定C与n的数值，首先使空气流速一定，然后测定有关数据：电流I、电压V、管壁温度tw、空气温度tf、微压计动压头h。至于a、ω在实验中无法直接测得，可通过计算求得，而物性参数可在有关资料中查得。得到一组数据后，可得一组Re、Nu值，改变空气流速，又得到一组数据，再得到一组Re、Nu值，改变几次空气流速，就可得到一系列的实验数据。

三、实验设备

图2-1 实验风洞简图

1.双扭曲线进网口 2.蜂窝器 3.整流金属网 4. 第一测试段 5.实验段 6.第二测试段 7. 收缩段 8.测速段 9.橡皮连接管 10.风机 11.皮托管

本对流实验在一实验风洞中进行。实验风洞主要由风洞本体、风机、构架、实验管及其加热器、水银温度计、倾斜式微压计、比托管、电位差计、电流表、电压表以及调压变压器组成。风洞本体如图2-1所示：

由于实验段前有两段整流，可使进入实验段前的气流稳定。比托管置于测速段，测速段截面较实验段小，以使流速提高，测量准确。风量由风机出口挡板调节。

实验风洞中安装了一根实验管，管内装有电加热器作为热源，管壁嵌有四对热电偶以侧壁温。

四、实验步骤

1.将比托管与微压计连好、校正零点；连接热电偶与电位差计，再将加热器、电流表、电压表以及调压变压器线路连接好，指导老师检查确认无误后，准备启动风机。

2.在关闭风机出口挡板的条件下启动风机，让风机空载启动，然后根据需要开启出口挡板，调节风量。

3.在调压变压器指针位于零位时，合电闸加热实验管，根据需要调整变压器，使其在某一热负荷下加热，并保持不变，使壁温达到稳定（壁温热电偶电势在3分钟内保持读数不变，即可认为已经达到稳定状态）后，开始记录热电势、电流、电压、空气进出口温度及微压计的读数，所加电压不得超过180V。

4. 在一定热负荷下，通过调整风量来改变Re数的大小，因此保持调压变压器的输出电压不变，依次调节风机出口挡板，在各个不同的开度下测得其动压头，空气进、出口温度以及电位差计的读数，即为不同风速下，同一负荷的实验数据。

5.不同热负荷条件下的实验，仅需要利用调压器改变电加热器功率，重复上述实验步骤即可。

6.实验完毕，先切断实验管加热电源，待实验管冷却后再停止风机。

五、实验数据的整理计算

1.壁面平均放热系数

电加热器所产生的总热量Q，除以对流方式由管路传给空气外，还有一部分是以 射方式传出去的，对流放热量为Qc为

QcQQIVQ

QC0F[(Tf4Tw4)()] 100100Q—辐射换热量；

—试管表面黑度；0.6~0.7

C0—绝对黑体辐射系数；C05.67

Tw—管壁面的平均绝对温度； Tf—流体的平均温度；

F—管表面积。

根据牛顿公式，壁面平均对流放热系数为：

Qc[Wm2C]

(twtf)F2．空气流速的计算

采用毕托管在测速截面中心点进行测量，由于实验风洞测速分布均匀，因此不必进行截面速度不均匀的修正。

若采用倾斜式微压计测得的动压头为 h ，则由能量方程式:

122（酒空）h 0 而 21空2g空W酒式中：

空2g（21）空2g（酒空）h2gh（酒空空

酒—微压计酒精的密度；0.81103kgm3

空—空气的密度，根据空气的平均温度，可在有关书中查得；

h—动压头，用液柱高表示。

由上式计算所得的流速式测速截面处的流速，而准则式中的流速W是指流体流过实验管最窄截面的流速，由连续性方程：

W测F测W试(F试Ldn)

W试

W测F测F试Ld

式中：F测测速处流道截面积；[m]

2F测

F试放试管处流道截面积；[m2]

F试

L实验管有效管长；L d实验管外径； d

n实验管数；n

W测测速处流体流速；[ms] W试实验管截面处流速；[ms]

3．确定准则方程式：

将数据代入，得到准则数，即可在Num为纵坐标，以Rem为横坐标的常用对数坐标图上，得到一些实验点，然后用直线连接起来，因：

IgNumIgcnIgRem

为直线的截距， n为直线的斜率，取直线上的两点，

nIgNu2IgNu1IgRe2IgRe1Nu1 nRe

C即可得出具体的准则方程式NuCRe

n六、实验报告要求

1． 实验原理

2． 实验原始数据，数据整理； 3． 做出NuCRe 图线 4． 误差分析

n七、思考题

1、 以本实验为例，试讨论相似理论在对流换热实验研究中的应用。

2、 为什么本实验可认为风道壁温，等于流体温度，并用流体温度来计算辐射换热量？

3、 标绘测速断面速度分布图，并进行分析。

4、 本实验中的实验管，其边界条件属于常热流边界条件，还是常壁温边界条件？

实验数据原始记录表

风洞截面尺寸：1.测速段截面尺寸，0.25*0.10m2 2.实验段截面尺寸，0.25*0.25m2 3.实验段有效流通面积，m2 实验管尺寸： 1.外径，m；0.038 2.有效长度，m，0.23 电加热器 气流温度 微压计 实验管壁面温度 1 2 3 4 实验次序 电流 电压 V 入口空气温度 出口空气温度 平均值 微压计读数 倾角比值 毫伏读数 温度 毫伏读数 温度 毫伏读数 温度 毫伏读数 温度 壁温平均值 A ℃ ℃ ℃ mm mV ℃ mV ℃ mV ℃ mV ℃ ℃ 1 2 3 4 5 6 附表3 实验数据整理表

实验次数 电加热器功率w 空气平均温度 壁面平均温度 辐射热量 对流热量 w 对流放热系数 微压计压差 测速段流速 实验段流速 导热系数 运动粘度 努塞尔数 雷诺数 ℃ ℃ w mm m/s m/s 1 2 3 4 5 6 [实验三] 空气沿横管表面自由流动的放热

一、实验目的和要求

1． 了解空气沿管表面自由放热的实验方法，巩固课堂上学过的知识； 2． 测定单管的自由运动放热系数；

3． 根据对自由运动放热的相似分析，整理出准则方程式。

二、实验原理

对铜管进行电加热，热量应是以对流和辐射两种方式来散发的，所以对换热量为总热量与辐射换热量之差，即：

QQcQ QcF(twtf)

Tf4C0Tw4IV[()()]

F(twtf)(twtf)100100Q— 辐射换热量； Qc— 对流换热量；

— 试管表面黑度；

C0— 黑体的辐射系数； tw— 管壁平均温度； tf— 室内空气温度；

— 自由运动放热系数；

根据相似理论，对于自由对流放热，努谢尔特数Nu，是葛拉晓夫数Gr、普朗特数Pr

的函数即：

Nuf(Gr,Pr)

可表示成Nuc(GrPr)

其中c,n是通过实验所确定的常数，为了确定上述关系式的具体形式，根据测量数据计算结果求得准则数：

ngtd3dNu Gr

2物性参数由定性温度从教科书中查出。

该变加热量，可求得一组准则数，把几组数据标在对数坐标上得到以Nu为纵坐标，以Gr、Pr为横坐标的一系列点，画一条直线，使大多数点落在这条直线上或周围，根据：

lgNulgcnlg(Gr.Pr)

为这条直线的斜率即为 n ，截距为c.

三、实验装置即测量仪表

实验装置由实验管（八种类型），测量仪表有电位差计，TDGC型接触式调压器、稳压器、电流表、电压表。

实验管上有热电偶嵌入管壁，可反映出管壁的热电势，电位差计用于测量管壁的电热势，稳压器可稳定输入电压，使加入管的热量保持一定，电压、电流表测定电加热器的电压和电流。

图3-1 实验管电路及测量系统

1.实验管 2.电加热器 3.壁温热电偶 4. 转换开关 5.电位差计 6.冰水溶液保温瓶 7. 电流表 8.电压表 9.变压器

四、实验步骤

1． 2． 3． 4． 5． 6． 7．

按电路图接好线路，经指导老师检查后接通电源； 调整调压器，对实验管加热；

稳定六小时后开始测管壁温度，记下数据； 间隔半小时再记一次，直到两组数据接近为止； 将两组接近的数据取平均值，作为计算数据；

记下半导体温度计指示的空气温度或用玻璃温度计； 经指导教师同意，将调压器调调整回零位，切断电源。

五、实验数据的整理

1、已知数据

管径： d1= d2= d3= d4=

d5= d6= d7= d8=

管长： L1= L2= L3= L4=

L5= L6= L7= L8=

2、测试数据

管壁热电势mv1、mv2、mv3、……mvn、

室内空气温度tf 电流I，电压V 3、整理数据：

根据所测热电势算出平均值mVm热器的热量 QIV[W]

a、

求对流放热系数

mV1mV2mVN查出对应的温度t，计算加

nTf4C0Tw4IV[()()]

F(twtf)(twtf)100100

b、

查出物性参数

定性温度取空气边界层平均温度tm1(tftw)，在书的附录中查得空气的导热系数2、 热膨胀系数、运动粘度 导温系数a、和普朗特数Pr。

c、

用标准公式计算对流换热系数Nu和a。

'aa'求相对误差

a'd、 以班组为单位整理准则方程

把求得的有关数据代入准则中可得准则式，把对应的数据标在对数坐标纸上，几组数据可标得一条直线，求得Nuc(GrPr)

n六、实验报告要求

1． 实验目的、原理、步骤、数据整理； 2． 作出直线，写出准则方程式； 3． 误差分析。

七、思考题

1． 2． 3． 4． 表3-1

怎样才能使本实验管的加热条件成为常壁温？

管子表面的热电偶应沿长度和圆周均匀分布，目的何在？ 如果室内空气温度不平静，会导致什么后果？ 本实验的 范围有多大，是否可达到紊流状态？

横管几何尺寸 电压 项目 D (m) L (m) F (m) V 电流 I 热量 Q 室温 ℃mVf 热电势（mV） 管表面温度 mV +mrf tw℃ 1 2 3 4 5 6 7mV 序号 D3×104 Δt tm Tm β×102 λ×102 Pr Gr Re a Nu ν×106

[实验四] 金属表面的法向辐射率的测定

一、实验目的与任务

1． 2． 3．

热辐射的基本概念和基本理论； 学习法向辐射测量仪的基本原理；

掌握金属材料表面法向辐射率的测量方法。

二、实验原理

在传热学中，将某物体表面的半球辐射率（或称为半球发射率、半球黑度、简称黑度）定义为该物体表面的辐射率E与同温度下黑体表面的辐射力Eb比值，即E。而某物Eb体表面的法向辐射率（法向辐射率，或法向黑度）定义为该物体表面的法向辐射强度In与同温度下黑体的法向辐射强度Ibn的比值，即In。对于每一种物体表面，和n之间Ibn有一定的数量关系。

法向辐射率测量仪就是从法向辐射率的基本定义出发而设计的，图4-1示出实验设备，

用一个热辐射敏感元件分别接受温度相同的待测样品和黑体的热辐射，为限制待厕样品和黑体的辐射能量只有法线方向的能量被感受元件所接收，将感受件置于一个直径较小、长度教长的黑体腔内（称为感受件腔）。感受件是采用无选择性的平面热电堆。它由八对热电偶串联而成，可使输出信号加大。让感受件分别接受同一温度下的待测样品和黑体的热辐射，则感受件的电势与待测样品和黑体的法向辐射强度成正比，即：

KIn bKIbn

式中：

——感受件接受待测样品辐射时的电势；

b——感受件接受黑体辐射时的电势； K——比例系数，或成为热电转换系数。 再根据法向辐射率的定义，

nIn Ibn则有：

n b三、试验仪器的构造

图4-1 法向发射率测定仪示意图

1．黑体腔 2．待测试件 3．热电堆 4．零点校正器

法向辐射率测量仪主要由样品室、黑体腔、感受件腔和零点校正器等四部分构成，见结构示意图4－1。

样品室事将待测样品置于一个热水腔内，其热水由恒温水浴提供；而且与黑体腔串联起来用同一个恒温水浴供热水，保证待测样品与黑体的温度相同

黑体腔：也称作人工黑体，黑体腔直径与长度之比为1/3内壁涂有无光黑漆（ε≈1）。 感受件腔：感受元件平面热电堆置于腔内，其直径与长度比保证平面热电堆只能吸收到样品和黑体腔法向辐射的能量，该腔用自来水供水。

零点校正器：器结构与黑体腔相似，只是腔内是用冷水循环。它可以与感受件腔并联起来通自来水。

样品室、零点校正器和黑体腔放在同一机箱内，而感受体腔放在一块滑板上，它可以左右移动分别对准A、O、B三个位置上。

四、试验步骤

1. 检查水路以及感受元件平面热电堆到二次仪表（检流计或电位差位）的引线是否接好。

将待测样品装入样品室。

2. 缓缓打开冷水阀门，检查有无漏水现象，如发现漏水，立即将阀门关死，找出原因加

以解决。

3. 将恒温水浴接点温度计调到制定位置（85—90℃，已调好）。

4. 打开恒温水浴电源及加热开关，当水温升到制定温度时开启搅拌器开关，直到温度平

衡后，关闭恒温水域上的辅助加热开关。 5. 测量

（1）先将感受件腔对准零点校正器，当电位差计上的 检流计指针没有明显漂移后，记住检流计指针的0位置 。

（2）将感受件腔右移到B位置，对准黑体腔，调节电位差计的测量盘，使检流计指针指到 0，记下测量盘的b 度数。

（3）然后再将感受件腔向左移动，对准样品室，调节电位差计测量盘，使检流计指针指到0， 记下测量盘的读数 。

（4）根据公式nIbIb，求出n

（5）将上面测量步骤重复做几次，将几次测量结果的平均值作为测量的最后结果，测试完毕后，停止搅拌，关闭恒温水浴电源开关及自来水阀门。

注意，测试过程中不能用手触摸样品表面，否则会影响测试数据，因为材料表

面的光洁度对 影响很大。

五、思考题

1. 测定法向辐射率有什么实际意义？

2. 本仪器是否宜于测定辐射率较低的试件？

3. 待测试件的厚度是否影响测试结果？对于不良导体是否适用？

4. 影响测试准确性的因素都有哪些？

[实验五（演示）]利用纹影仪观察自然对流换热时的边界层状态

一、 实验目的

观察空气在自然对流换热时的边界层状态，了解边界层内速度分布、温度分布及局部放热系数x与边界层状态的关系。

二、 实验原理

温度tf的静止流体，与温度为tw的壁面相接触，如果tftw，则随着离壁面距离的不同，流体的温度也不同，因而密度不同，引起浮升力，造成近壁处流体的自由流动，形成速度边界层和热边界层，由于速度由温度变化引起的，所以可以认为速度边界层和热边界层厚度相等。

设有一竖壁，tftw，流体受浮升力作用自壁的下端向上运动，开始时边界层处于层流状态，向上边界层逐渐加后，达到某一高度，流态开始转变为紊流，但紧贴壁面的部分为层流底层，边界层内的速度分布，温度分布及局部放热系数x的变化情况如图5—1所示。

图5-1 竖板自然对流边界层状态

三、 实验设备

如图5—2所示，主要有光源、加热体和屏幕。

图5-2

1．平行光光源 2．加热体 3．屏幕 4．可调变压器 5．电压表 6．电流表

1、 平行光光源，包括一个220V 250W的碘钨灯，一个发射凹槽，一个可调凸透镜。 2、 加热体，可以是水平圆管、竖管、水平板（热面朝下或朝上）。实验时加热体为水平圆管，内装一支1000W的碘钨灯作为热源，为了便于调节，使用自耦变压器，电压调至60V左右，就可观察到影象，管外近壁处空气温度大约在100℃以上。

四、 实验步骤及结果

1、 把光源、加热体、屏幕放到一条直线上，并拉开一定距离； 2、 连接加热体的线路，并通电加热；

3、 打开电源，几分钟之后，则可在屏幕上看到影象；

4、 加热体形体不同，在屏幕上所得到的边界层影象也不同。 五、思考题

1、 流体产生自然对流换热的根本原因是什么？ 2、 自然对流边界层内的速度和温度分布是怎样的？ 3、 自然对流中如何判断层流和紊流？

4、 自然对流换热比强迫对流换热更难获得分析解，为什么？

[实验六（演示）] 流动水槽中流动可视化演示

一、实验目的

1、 观察流体流动的迹线和流线；

2、 观察流体绕不同物体流动时的各种流动现象，加深对流体流动规律的认识和理解； 3、 观察平板热边界层的变化情况和热边界层内的温度分布情况。

二、实验原理

在流动水槽中，放置细金属导线作为阴极，另放置一金属板作为阳极，通电后使水电解，产生气泡，借助于气泡对光的散射，显示出流体质点的运动，这就是流动水槽观察流

动的简单原理。

流体质点的运动可用迹线和流线来描述，迹线是流体质点运动的轨迹；流线是在某一瞬时，流场中连续的不同位置质点的流动方向线，所以迹线和流线是不同的，只有在定常流动时，迹线才是流线，在水槽的定常流场中，如果在某断面上连续地产生气泡，用照相机拍照， 在短暂的暴光时间内，照片上留下流体质点的很小位移线段，它的方向可代表这一瞬时流体质点的运动速度方向，把这些小线段前后相接连成的曲线就是流线，实际上，在水槽的某一截面上的许多点上同时产生气泡，所以可从水槽中观察流谱以及轨迹线。

三、实验设备

整个设备包括回路式槽体、槽体台架方波发生器及光源，如图6—1所示。

图6-1 流动显示水槽示意图

1. 实验段 2.电机 3. 第一拐角段 4.轴流泵 5.扩散段 6.第二、三拐角段 7. 导流片

8.排气管 9.蜂窝器 10.收缩段 11.阻尼网 12~14.支架 15.排水阀 16.台架 17. 方波发生器 1 8.极性转换开关 19.电机启动开关 20.流速调节旋钮

21.保险丝盒 22.指示灯 23.模型柜

槽体由实验段、驱动电机、轴流泵叶轮等组成，实验段长度1300mm、宽140mm、深100mm，实验段内最高流速约为16cm/s，可连续调节。整个槽体由有机玻璃制成，透明度好，槽体全长为2000mm，高度为500mm。

槽体台架为钢木结构，台架上放置水槽，台架内装有电源，方波发生器，电动机调速器。

方波发生器是流场显示产生氢气泡的电源装置。

光源由光源支架及PTδ4-1白昼幻灯机组成，光源支架可任意调节其俯仰角度。

四、 实验步骤

1．水槽：充入洁净的自来水，待实验段内水面高出收缩段出口约一厘米，拔出阻尼网，插入闸板，启动水泵，这时，拐角段内水面上升（此时排汽管通大气），待水面升到拐角段上表面，将该段内空气已基本排出时，封闭排气管，关闭水泵，取出闸板，插入阻尼网，

若实验段水面低于收缩段出口处的高度，则需要再加水，直到水面略高于收缩段出口高度为止。

2．将模型放入槽中，根据需要安置好阴极丝和阳极丝，并分别联结于方波发生器的阴阳极。（注意：阴极丝和阳极丝不能短路）

3．打开水源，调节流速旋钮，使流动达到需要的速度。 4．打开光源，调整光源位置和光柱幅度。

5．打开方波发生器电源开关，调节电压旋钮，使阴极丝上出现氢气泡，这时可观察到各种不同得流谱。

1） 放置平板及直槽道模型，观察边界层得变化情况及速度分布； 2） 放置圆柱体模型，观察圆柱体周围得速度分布情况；

3） 放置管速模型，观察流体绕过顺排及叉排管束时得流动情况； 4） 放置机翼模型，观察翼型表面得流体分离区及旋涡区。

五、实验报告

1． 画出绕机翼流动得流谱； 2． 画出绕圆柱流体流动得流谱； 3． 画出绕管束流动得流谱。

六、思考题

1． 流体沿平板流动和换热时，速度边界层及热边界层是如何发展的？指出它们的重要性及它们之间的关系。

2． 为什么边界层得厚度沿着流动方向越来越厚？为什么紊流边界层得厚度增长得比层流边界层快？边界层得厚度受那些因素得影响？

3． 速度边界层和热边界层是否一定在平板前缘同时开始形成？ 4． 流体在管内流动时流动入口段对换热有什么影响？ 5． 为什么流速对换热有重要影响？

6． 管束得顺排和叉排是如何影响对流换热的？

[实验七] 换热器综合实验

实验类型: 综合性实验

适用对象: 热动、集控、建环、制冷专业

一、实验目的

1、熟悉换热器性能的测试方法，了解影响换热器性能的因素。 2、掌握间壁式换热器传热系数的测定方法。

3、了解套管式换热器、板式换热器和列管式换热器的结构特点及其性能的差别。 4、加深对顺流和逆流两种流动方式换热器换热能力差别的认识。 5、熟悉流体流速、流量、压力、温度等参数的测量技术。

二、实验要求

1、以传热系数为纵坐标，冷（热）水流量为横坐标绘制换热器传热性能曲线。 2、对三种不同型式的换热器传热性能进行比较。 3、分析影响换热器性能的因素。

4、根据实验结果，计算冷热流体与管壁的表面传热对流换热热阻，管壁的导热热阻，比较在传热过程中各个热阻所占的比例。

三、实验原理

换热器为冷热流体进行热量交换的设备。本次实验所用到的均是间壁式换热器，热量通过固体壁面由热流体传递给冷流体。实验原理如图1所示。

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图1 换热器综合实验台原理图

1.冷水泵 2.冷水箱 3.冷水浮子流量计 4.冷水顺逆流换向阀门组 5.列管式换热器 6.套管式换热器 7.电加热水箱 8.热水浮子流量计 9.回水箱 10.热水泵 11.板式换热器

通过测量冷热流体的流量，进出口温度，可以由式（1）~（3）计算换热器的换热量，由式（5）计算换热器的温差，因此可以计算出换热器的传热系数（6），换热器的传热系数综合反映了传热过程的难易程度，表示单位传热温差传热面积下传热过程所传递的热量。另外结合换热器的结构数据，由式（7）~（8）计算冷热流体与管壁的表面传热对流换热系数，进而比较三个环节的热阻相对大小。

热流体放热量 冷流体吸热量

1c1m1(t1t1) (1)

2c2m2(t2t2) (2)

122平均换热量

(3)

热平衡误差

12100% (4) tmaxtmin (5)

tmaxlntmin换热器温差

tm传热系数

kAtm (6)

内部流动对流换热 外部流动对流换热

Nu0.023Re0.8Pr0.4 (7) NuCRenPrm (8)

其中C、n、m值可以查课本。 四、实验所需仪器、设备、材料

本实验主要对应用较广的三种换热器进行实验：套管式换热器、板式换热器和列管式换热器。实验装置如图2所示。

采用冷水可用阀门换向进行顺逆流实验。换热形式为热水—冷水换热式。实验中所需的仪器设备如下：

1、换热器几何尺寸 （1）套管式换热器 列

换热面积0.22 m2

外管：外径25mm，壁厚2mm铜管, 中间管外径12mm，壁厚1mm铜管，长80㎝，8组并

（2）板式换热器

换热面积0.40 m2

换热面积0.51 m2

（3）列管式换热器

外壳外径110mm，壁厚2mm 不锈钢，中间管子外径16mm，壁厚1mm不锈钢管, 长84㎝,2条(4根管两次折流，即3个管程)

2、电加热总功率 9.0 kW 3、冷、热水泵 允许工作温度：<80 ℃ 额定流量：3 m3/h 扬程：12 m 电机电压：220 V 电机功率：370 W 4、转子流量计型号 型号：LZB-15 流量：40~400 l/h 允许温度范围：0~120 ℃

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图2 实验装置简图

1.热水流量调节阀 2.热水板式、套管、列管启闭阀门组 3.冷水流量计 4.换热器进口压力表 5.数显温度计 6.琴键转换开关 7.电压表 8.电流表 9. 冷水出口压力表 10. 开关组11. 冷水板式、套管、列管启闭阀门组 12.顺逆流转换阀门组 13.冷水流量调节阀

五、实验预习要求、实验条件、方法及步骤

实验预习要求：

1、温度计压力表的读数与精度 2、系统充水量与水泵运行的注意事项 3、实验的数据预期与读取

4、各种形式换热器的主要特征及优缺点 5、传热过程各个热阻相对大小及影响因素 实验条件：

（1）熟悉实验装置及使用仪表的工作原理和性能； （2）打开所要实验的换热器阀门，关闭其它阀门； （3）按顺流（或逆流）方式调整冷水换向阀门的开或关；

（4）向冷—热水箱充水，禁止水泵无水运行(热水泵启动，加热才能供电)。 实验方法与步骤：

（1）接通电源，启动热水泵（为了提高热水温升速度，可先不启动冷水泵），并调整好合适的流量；

（2）调整温控仪，使其能使加热水温控制在80℃以下的某一指定温度；

（3）将加热器开关分别打开（热水泵开关与加热开关已进行连锁，热水泵启动，加热才能供电）；

（4）利用数显温度计和温度测点选择琴键开关按钮，观测和检查换热器冷—热流体的进出口温度。待冷—热流体的温度基本稳定后，既可测出相应测温点的温度数值，同时可以读出转子流量计冷—热流体的流量读数，把这些测试结果记录到实验数据记录表中；

（5）如需要改变流动方向（顺，逆流）的实验，或需要绘制换热器传热性能曲线而要求改变工况（如需要改变冷热水流速或流量）进行试验，或需要重复进行试验时，都要重新安排实验，并记录下实验测试数据；

（6）实验结束后，首先关闭电加热器开关，5分钟后切断全部电源。

六、实验数据处理

1. 数据计算

热流体放热量：Q1m1cp1T1T2 冷流体吸热量：Q2m2cp2t2t1 平均换热量：QQ1Q2 2热平衡误差：Q1Q2100% Q对数平均温差：tmtmaxtmin

tmaxLntmin传热系数：kQ Atm式中： m1，m2 热、冷流体的质量流量；

cp1，cp2 热、冷流体的定压比热；

T1，T2 热流体的进、出口温度；

t1，t2 冷流体的进、出口温度；

A 换热面积；

tmax，tmin 进出口温度端差的最大值和最小值。

注：冷热流体的质量流量m1，m2是根据修正后的流量计体积流量折算成的质量流量。

2. 绘制传热性能曲线，并进行比较

（1） 以传热系数为纵坐标，冷水（冷水）流速（或质量）为横坐标绘制传热性能曲线；

（2）对顺流和逆流换热性能进行比较；

（3）对三种不同型式的换热器性能进行比较。

七、思考题

1、冷热水箱温度不恒定对实验结果有何影响？

2、怎样按测得的数据，计算流体与固体壁面间的对流换热系数？ 3、实验中为什么可以不考虑辐射换热？

4、变工况后马上记录测点数据对实验有影响吗，为什么？ 5、怎样由传热性能曲线，比较三种换热器的性能？

6、根据实验结果说明为什么工程上可以忽略换热器中间壁的导热热阻？

附：实验数据记录表 换热器名称 环境温度 ℃ 热流体 顺逆流 进口温度 ℃ 顺流 逆流

出口温度 ℃ 流量计数 l/h 进口温度 ℃ 冷流体 出口温度 ℃ 流量计数 l/h