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      2. 傳熱學實驗指導書 - 下載本文

        加熱的恒定熱流密度(W/m);

        隨著時間τ的延長,Fo數變大,式(1-1)中級數和項愈小。當F0>0.5時,級數和項變得很小,可以忽略,式(1-1)變成:

        t(x,t)?t0?qc?(a??x222

        ??22??16) (1-2)

        由此可見,當F0>0.5后,平板各處溫度和時間成線性關系,溫度隨時間變化的速率是常數,并且到處相同。這種狀態稱為準穩態。

        在準態時,平板中心面x=0處的溫度為:

        t(0,?)?t0?qc??(a??2?16 ) (1-3)

        平板加熱面x=δ處為:

        t(?,?)?t0?qc?(a??13) (1-4)

        ??2此兩面的溫差為:

        ?t?t(?,?)?t(0,?)?1qc?? (1-5) 2?如已知qc和δ,再測出Δt,就可以求出導熱系數:

        ??qc?2?t (1-6)

        實際上,無限大平板是無法實現的,實驗總是用有限尺寸的試件。一般可認為,試件的橫向尺寸為厚度的6倍以上時,兩側散熱試件中心的溫度影響可以忽略不計。試件兩端面中心處的溫度差就等于無限大平板兩端面的溫度差。

        根據勢平衡原理,在準穩態時,有下列關系:

        qcF?CF??dtd?

        dtd?式中:F-試件的橫截面(m2);C-試件的比熱(J/kg?℃);ρ-試件的密度(kg/m3);-準穩態時的溫升速率(℃/s);

        由上式可得比熱: c?qc??dtd?dtd?

        實驗時,以試件中心處為準。

        五、實驗內容和要求

        1.用卡尺測量試件的尺寸,得到面積F和厚度δ。

        2.按圖1-1和圖1-2放好試件、加熱器和熱電偶,接好電源,接通穩壓器,并將穩壓器預熱10分鐘(注:此時開關K是打開的)。接好熱點偶與電位差計及轉換開關的導線。 3.校對電位差計的工作電流,然后,將測量轉換開關撥至“1”測出試件在加熱前的溫度,此溫度應等于室溫。再將轉換開關撥至“2”,測出試件兩面的溫差,此時,應指示為零熱電勢,測量出示值差最大不得超過0.004mv,即相應的初始溫度差不得超過0.1℃。

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        4.接通加熱器開關,給加熱器通以恒定電流(試驗過程中,電流不容許變化。此值事先經實驗確定)。同時,啟動秒表,每隔一分鐘測讀一個數值。奇數值時刻(1分,3分,5分??)測“2”端熱點勢的毫伏數,偶數值時刻(2分,4分,6分??),測“1”端熱點勢的毫伏數。這樣,經過一段時間后(隨所測材料而不同,一般為10~20分鐘),系統進入準穩狀態,“2”端熱點勢的數值(即式(1-5)中的溫差Δt)幾乎保持不變。并計下加熱器的電源值。

        5.第一次實驗結束,將加熱器開關K切斷,取下試件及加熱器,用電扇將加熱器吹涼,待其和室溫平衡后才能繼續作下一次實驗。但試件不能連續做實驗,必須經過四小時以上放置,使其冷卻至與室溫平衡后,才能再作下一次實驗。

        6.實驗全部結束后,必須切斷電源,一切恢復原狀。 7.實驗數據記錄

        室溫t0: [℃] 加熱器電流I: [A] 加熱器電壓U: [V] 試件截面尺寸F:0.00126 [㎡] 試件厚度 δ:0.009 [m] 試件材料密度ρ=1200 [㎏/m3] 熱流密度 qc: [w/㎡] 時間[分] “1” 熱點溫度[℃] “2” 時間[分] “1” 熱點溫度[℃] “2” 7 8 9 10 11 12 13 0 1 2 3 4 5 6 求出:熱流密度qc[W/㎡] 準穩態時的溫差Δt(平均值)[℃] 準穩態時的溫升速率

        dtd? [℃/小時]

        8.做好實驗數據的進一步分析和整理工作,并對測量誤差進行分析。

        六、注意事項

        1.實驗中要切記對熱電偶冷端進行零點補償,要對電位差計進行校準。 2.輸入電加熱器的電壓不得超過220V,電加熱器最高溫度不得超過100℃。

        3. 停止實驗時,應先切斷電熱器。連續試驗時要確保加熱器和試樣已冷卻到室溫并已平衡。

        七、思考題

        1. 怎樣判斷加熱過程已經達到了準穩態?

        2. 實驗中為什么要把四塊試樣疊放在一起?

        3. 如果要測量導電體材料的導熱系數和比熱,是否可以采用準穩態法,如果可以如何改進

        和設計實驗?

        4. 實驗中引起的測量誤差由哪些,還可以采取哪些手段來進一步減少測量誤差?

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        實驗二 強迫對流單管外放熱系數測定試驗

        一、實驗目的

        1.測定空氣橫向流過單圓管表面時的放熱系數。

        2.根據對受迫運動放熱過程的相似分析,將實驗數據整理成準則方程式。 3.通過相似原理的實際應用,加深對相似原理的了解。

        4.學習用熱電偶測量溫度,用電壓電流測量功率及用比托管測流量的實驗技術。 5、計算機在測試技術方面的應用。 二、實驗類型

        綜合性實驗

        三、實驗儀器

        圖2-1為空氣橫向流過單圓管表面時的放熱實驗裝置。

        圖2-1 單圓管表面橫向強迫對流放熱實驗裝置示意圖

        1-離心式風機;2-自動風機風門;3-軟連接;4-畢托管;5-后測溫點;6-后測靜壓點;7-紫銅管試件;8-前測靜壓點;9-前測溫點;10-整流珊;11-進風喇叭口;12-角鐵支架;13-實驗臺;14-畢托管差壓傳感器;15-加熱開關;16-加熱調節;17-風門開關(上開下關);18-風機開關;19-加熱電流表20-加熱電壓表;21-一十六位巡檢儀;22-試驗段阻力差壓傳感器

        實驗裝置主要由一簡單的風洞和量熱器組成。風洞是用有機玻璃制成的正方形流道[尺寸為a×b(mm)]。為了避免渦流的影響,風道內表面持光滑。當風機啟動后,室內空氣經過吸入口2被吸入風洞內。吸入口做成雙扭線形以保證進出口氣流平穩并減少損失,并且使進口處氣流速度分布均勻。在吸入口后連接入口段和工作段。在工作段中有被研究的圓管(同時也是量熱器)、加熱前流體的測溫熱電偶、加熱后流體的測溫熱電偶。在工作段之后有一支測量流速的比托管、插板閥、引風機。插板閥用以調節流量。為減少風機振動對風洞內的速

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        度場的影響,工作段之后的風道用亞麻布軟管與風機相接。風洞內畢托管與差壓變送器相連接后可用來測量流速。工作段前后的空氣溫度,即tf1、tfa,用熱電偶來測量。

        圖2-2 量熱器簡圖

        1-電源線;2-壓緊螺母;3-保護蓋;4-固定板;5-絕熱層;6-絕熱層;7-銅管;8-絕緣層;9-加熱器

        圖2-2為量熱器簡圖。量熱器用銅管做成,管內有電加熱器,用交流電加熱。電熱器所消耗的功率即是圓管表面所放出的熱量。圓管表面溫度tw用焊在管壁上的四對熱電偶測量。電路及測量系統如圖3-3所示: 圖2-3 電路及測量系統示意圖

        1-調壓器;2-量熱器;3-加熱器;4-測氣體溫度熱電偶;5-測氣表面度熱電偶;6-加熱管剖面;7-差壓傳感器;8.巡檢儀;9-比托管;10-差壓傳感器

        四、實驗原理

        根據牛頓公式物體表面對流放熱量Qc 可用下列計算:

        Qc??(tw?tf)F [W] (2-1)

        式中:tw—圓管表面平均溫度 [℃];tf—實驗段前后流體的平均溫度 ℃;F—圓管表面積

        22[m],F??dl;d、l分別為圓管的直徑和長度;α—放熱系數;[w/m·℃]

        因此有

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        ??Qc(tw?tf)?dl [W/m2, ℃] (2-2)

        根據相似理論,流體橫向流過單圓管表面時,一般可將準則方程式整理成下列形式:

        Nuf?Prf?n0.38?C?Ref?Pr????Prw?0.25 (2-3)

        上式中定性溫度為流體平均溫度tf,定型尺寸為管子直徑、流速采用流體流過圓管時最窄處的流速。

        ?Prf???Pr?w?0.25是考慮不均勻物性場而附加的修正項。

        對于空氣Pr≈常數,故準則方程式為:

        Nu?C?Ref (2-4)

        'n式中常數C'和n可由本實驗確定。

        本實驗是在空氣被加熱的情況下進行的。圓管內加熱器所產生的熱量Q是以對流換熱Qc 和輻射QR方式傳出的。

        因此:QC?Q?QR

        圓管表面的輻射放熱量QR可由下式計算:

        ??T?4?T?4?f?QR???cb??w?????F [W] (2-5) ??100???100?????式中:ε—為圓管表面黑度,對于銅管ε=0.22;cb—絕對黑體的輻射系數cb=5.67 [W/m·K];Tw、Tf—分別為圓管表面和流體的平均絕對溫度,K。

        由以上分析可知,實驗的中心問題是必須測量以下幾個物理量:圓管放熱量Q;管壁溫度tw;流體溫度tf;管子直徑d;管子長度l和空氣流速u。

        在不同工況下測量以上數值,將每一工況下Ref值與Nuf值表示在對數坐標圖上,如圖2-4所示。

        y 24

        x

        圖2-4 確定參數之間關系的圖解法

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