www.k535.com:建筑流体与热工综合实验指导书_图文

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《建筑流体与热工综合实验》 实验指导书

实 验 报 告

学生姓名: 班 专 序 成 级: 业: 号: 绩:

中国矿业大学力学与建筑工程学院 建筑环境技术综合实验室 2010 年 9 月

实 验 须 知
一、实验的目的和要求
通过该实验课有计划的培养和训练,应达到以下几方面的要求: 1. 加深学生对所学课程的内容的理解,验证理论知识。 2. 培养学生具有一定的实践技能,树立尊重事实的思想和严谨的科学作风。 3. 学会正确使用一般的热工仪表,及其操作规程。 4. 实验时必须尊重指导人员的指导。如实记录实验数据。 5. 实验结束时,须将实验设备恢复原样。 6. 能较准确测出实验数据,绘出实验曲线,分析实验结果,写出完整的实验报告。

二、实验前的预习
学生在实验之前必须认真进行预习, 其内容包括有关的教材内容、 本次实验内容的说明、 步骤及注意事项。写好实验预习报告,其内容包括实验目的、实验原理、实验步骤、实验数 据记录表及数据整理的有关公式。 教师在实验开始时,应根据实验教材的内容、要求,检查预习情况。如发现预习不充分 或没有预习报告者,暂停本次实验课,以后需经本人提出申请,统一补做。

三、实验过程
学生在实验的过程中应自觉遵守课堂纪律,严格遵守实验操作规程。以科学、求实的态 度对待实验。仔细观察实验现象,认真测量实验数据。 本次实验结结束后, 应认真填写设备使用记录。 并将测得的实验数据经指导教师过目同 意后方可离开。

四、实验数据的整理及实验报告的编写
实验结束后应认真、独立整理实验数据,写出完整的实验报告。但应注意:在对实验 现象进行分析讨论时,必须实事求是,不得抄袭他人数据或改变实验数据。


实验一 实验二 实验三 实验四 实验五 实验六 实验七 实验八



空气定压比热容测定实验· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 CO2 临界状态观测及 p-v-T 测定实验· · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8 空气在喷管中流动性能的测定· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 18 制冷(热泵)循环演示实验· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·31 恒热流准稳态平板法测定材料热物性实验· · · · · · · · · · · · · 37 液体导热系数测定· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 44 强迫对流管族管外换热系数实验· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 48 中温辐射黑度测试实验· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 55

实验总结与体会· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 61

实验一
一、实验目的

空气定压比热容测定实验

1、了解气体比热容测定装置的基本原理和构思(本实验以空气为例) 2、熟悉本实验中的测温、测压、测热、测流量的方法。 二、实验原理 可将本实验装置的本体部分简化为一开口稳定流动系统,本体部分保温非常好,近似 无散热损失,且系统对外并无功的输出,当系统达到平衡时,工质的焓变等于电热器的放热 量。即:

q m c p ( t 2 ? t1 ) = Q cp =
式中: q m —空气的质量流量,kg/s

Q q m c p ( t 2 ? t1 )

c p — 空气的定压比热容,kJ/(kg·℃) t 2 —空气在本体部分的出口温度,℃ t1 —空气在本体部分的人口温度,℃ Q —电加热器的放热量,kW
如要测定干空气的比热容, 需额外测定湿空气的参数。 将水蒸气的吸热量从总量中除 去,则利用上式可计算干空气比热容。 实验过程中要求测定三个不同温度下的定压比热容值。 三、实验设备 (1)整个装置由风机、流量计、比热容仪本体、电功率调节及测量系统共四部分组成, 如图 1 所示。 (2)比热密仪本体如图 2 所示。其中 1—进口温度计;2 一多层杜瓦瓶;3—电热器;4 一均流网;5 一绝缘体;6 一旋流片;7 一混流网;8 一出口温度计。 (3)空气(也可以是其它气体)由风机经流量计送人比热密仪本体,经加热、均流、 旋流、测温后流出。气体流量由节流阀控制;气体出口温度由输入电热器的电压调节。 (4)该比热容仪可测 300℃以下气体的定压比热容。

-1-

图 1 空气定压比热容测定装置

图 2 比热容比本体
-2-

四、测量与计算 (1)接通电源及测量仪表,选择所需的出口温度计插入混流网的凹槽中。 (2)摘下流量计上的温度计,开动风机调节节流阀,使流量保持在额定值附近。测出 流量计出口空气的干球温度( t 0 )和湿球温度( t w ) 。 (3)将温度计插回流量计,调节流量,使它保持在额定值附近。逐渐提高电压,使出 口温度升高至预计温度[ 可以根据下式预先估计所需电功率: P ≈ 12

?t ,式中 P 为电功率 τ

(W) ; ?t 为进出口温差(℃) ;τ 为每流过 10L 空气所需的时间(s)]。 (4) 待出口温度稳定后 (出口温度在 3 分钟之内无变化或有微小起伏, 即可视为稳定) , 读出下列数据,每 10L 气体通过流量计所需时间τ (s) ;比热容仪进口温度 t1 (℃)和出口 温度 t 2 (℃) ;当时大气压 B (mmHg)和流量计出口处的表压 ?h (mmH2O) ;电加热器的 。 电压 V (V)和电流 I (A) (5)根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度,从湿空气的焓湿图查处焓湿量 d (g/kg 干空气) ,并根据下式计算出水蒸气的容积成分:

rw =

d / 622 1 + d / 622

(1)

(6)电热器消耗的功率可由功率表读出,但要考虑表的内耗。 R mA 为毫安表 内阻( ? ) ,则单位时间电热器的放热量为:

Q=
(7)干空气流量为:

1 (VI ? 0.001RmA I 2 ) 6 10

kW

(2)

q mg =

p g qV R g T0

=

(1 ? rw )( B +

?h 10 4 10 )× × 13.6 735.56 1000τ 29.27(t 0 + 273.15)
kg/s (3)

4.6447 × 10 ?3 (1 ? rw )( B + ?h / 13.6) = τ (t 0 + 273.15)
(8)水蒸气流量为:

q mw =

p w qV = RwT0

rw ( B +

?h 10 4 10 )× × 13.6 735.56 1000τ 47.06(t 0 + 273.15)

-3-

=

2.8889 × 10 ?3 rw ( B + ?h / 13.6) τ (t 0 + 273.15)

kg/s

(4)

(9)水蒸汽吸收的热量为:

Qw = q

mw 1



2

(1.833 + 0.00062)dt
(5)

2 = q mw [1.833(t 2 ? t1 ) + 0.0003111(t 2 ? t12 )] kW

(10)干空气的定压比热容为:

c pm
(11)计算举例

t2 t1

=

Qg q m g ( t 2 ? t1 )

=

Q ? Qw q m g ( t 2 ? t1 )

kJ/(kg·℃)

(6)

某一稳定工况的实测参数如下:

t 0 = 8°C; t w = 7.58°C; B = 748.0mmHg ; t1 = 8°C; t 2 = 240.3°C;τ = 69.96s / 10L ?h = 16mmH 2 O;V = 174.4V; I = 240.0mA; RmA = 0.24?
查焓湿图得

d = 6.3g/kg 干空气 ( φ = 94% ) rw = Q= d / 622 = 0.010027 1 + d / 622
kW

1 (174.4 × 240 ? 0.001 × 0.24 × 240 2 ) = 41.84 × 10 ?3 10 6

q mg

4.6447 × 10 ?3 (1 ? 0.010027)(748 + 16 / 13.6) = = 175.14 × 10 ?6 69.96(8 + 273.15) 2.8889 × 10 ?3 × 0.010027 × (748 + 16 / 13.6) = 1.1033 × 10 ?6 69.96(8 + 273.15)

kg/s

q mw =

kg/s

Qm w = 1.1033 × 10 ?6 × [1.833(240.3 ? 8) + 0.0003111(240.3 2 ? 8 2 )] = 0.4895 × 10 ?3 kW c pm
t2 t1

=

1.184 ? 1.4895 × 10 ?3 = 1.0163 ?6 175.14 × 10 (240.3 ? 8)

kJ/(kg·℃)

(12)比热容随温度的变化关系 假定在 0~300℃之间,空气的真空定压比热容与温度之间近似呈线性关系:

c p = a + bt
则由 t1 到 t 2 的平均比热容为:

-4-

c pm

t2 t1

∫ ==

2

1

(a + bt )dt ( t 2 ? t1 )
t2 t1

=a+

b ( t1 + t 2 ) 2

因此,若以

t1 + t 2 为横坐标, c pm 2

为纵坐标(图 3) ,则可根据不同温度范围内的平均比

热容确定截距 a 和斜率 b,从而得出比热容随温度变化的计算式。

图3

五、 注意事项 (1)切勿在无空气流通过的情况下使电热器投人工作,以免引起局部过热而损坏比热 容仪本体。 (2)输人电热器的电压不得超过 220V。气体出口最高温度不得超过 300℃。 (3)加热和冷却要缓慢进行,防止温度计和比热密仪本体固温度骤升骤降而断裂。 (4)停止试验时,应先切断电热器,让风机继续运行十五分钟左右(温度较低时可适 当缩短) 。 六、实验原始纪录 入口 项目 温度 符号 单位 1 温度 率 P W 系数 压力 B mmHg 出口 电功 流量 大气 修正压 温度 温度 干球 湿球

t1


t2


τ
s/10L

?h
mmH2O

tg


tw


-5-

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

-6-

-7-

实验二
一、实验目的

CO2 临界状态观测及 p-v-T 测定实验

1、了解二氧化碳临界状态的观测方法,增加对临界状态的感性认识。 2、加深对热力状态、凝结、气化、饱和状态等基本概念的理解。 3、观察超临界压力下加热和冷却时气液两相连续过渡现象。 4、掌握二氧化碳的 p-v-T 关系的测定方法,学会用实验测定实际气体状态变化规律的 方法和技巧。 5、学会活塞式压力计、恒温器等部分热工仪器的正确使用方法。 二、实验内容 1、 测定 CO2 的 p-v-t 关系。 在 p-v 坐标图中绘出低于临界温度(t=20℃)、 临界温度(t=31.1 ℃)和高于临界温度(t=50℃)的三条等温曲线,并与标准实验曲线及理论计算值相比较,并分 析差异原因。 2、观测临界状态 (1)临界状态时近汽液两相模糊的现象。 (2)汽液整体相变现象。 (3)测定的 CO2 的 tc、pc、vc 等临界参数,并将实验所得的 vc 值与理想气体状态方程 和范德瓦尔方程的理论值相比较,简述其差异原因(CO2 标准曲线见图 1) 。 三、实验原理 单可压缩系统处于平衡态时,状态参数压力、温度和比容之间有确定关系,可表示为 F(p,v,T)= 0 或 v = f(p,T) 维持温度不变,测定比容与压力的对应数值,就可得到等温线的数据。在不同温度下对二氧 化碳气体进行压缩,将此过程画在 p—v 图上,可得到如图 1 所示的二氧化碳 p―v―T 关系 曲线。 当温度低于临界温度 tc 时,该二氧化碳实际气体的等温线有气液相变的直线段。随着 温度的升高,相变过程的直线段逐渐缩短。当温度增加到临界温度时,饱和液体和饱和气体 之 间 的 界限已 完 全 消 失 , 呈 现出 模糊状 态 , 称 为 临界状 态 。 二氧 化 碳 的 临界 压 力 pc 为 7.38MPa ,临界温度 tc 为 31.1℃。在 p―v 图上,临界温度等温线在临界点上既是驻点,又 是拐点。临界温度以上的等温线也具有拐点,直到 48.1℃才成为均匀的曲线。

-8-

图 1 二氧化碳 p-v-T 关系标准曲线 四、实验装置 1、 整个实验装置由压力台, 恒温器和实验台本体及其防护罩三大部分组成, 如图 2 所 示。气体的压力由活塞式压力计 3 的手轮来调节。压缩气体时,缓缓转动手轮以提高油压。 气体的温度由恒温器 1 给水套供水而维持一定,并由水套内的温度计读出。

图 2 二氧化碳实验台系统图 ①恒温器 ②实验台本体 ③压力台

-9-

2、实验台本体由一根预先刻度并封有二氧化碳气体的玻璃毛细管和水银室组成,如图 3 所示,其中:1-高压容器;2-玻璃;3-压力油;4-水银;5-密封填料;6-填料压盖;7-恒温 水套;8-承压玻璃管;9- CO2 空间;10-温度计

图 3 压缩室本体示意图

3、实验中由压力台送来的压力油进入高压容器和玻璃杯上半部,迫使水银进入预先装 了 CO2 气体的承压玻璃管。 CO2 被压缩, 其压力和容积通过压力台上的活塞的进、 退来调节, 温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。 4、实验工质二氧化碳的压力由压力台上的压力表读出(如要提高精度可由加在活塞转 盘上的平衡砝码读出,并考虑水银柱高度的修正) 。温度由插在恒温水套中的温度计读出。 比容首先由承压玻璃管内二氧化碳的高度来度量, 而后者再根据承压玻璃管内径均匀、 截面 积不变等条件换算得出。
- 10 -

四、实验步骤 1、测定承压玻璃管内 CO2 质面比常数 k 值。 由于充进承压玻璃管内的 CO2 质量不便测量, 而玻璃管内径或截面积 (A) 又不易测准, 因而实验中采用间接办法来确定 CO2 的比容,认为 CO2 的比容 v 与其高度是一种线性关系。 具体如下: (1)已知 CO2 液体在 20℃,9.8MPa 时的比容 v(20℃,9.8MPa )=0.00117m3/kg (2) 如前操作实地测出本试验台 CO2 在 20℃, 9.8MPa 时的 CO2 液柱高度Δh*(m), (注 意玻璃水套上刻度的标记方法) (3)由(1)可知 ∵ v(20℃,9.8MPa)=Δh*A/m=0.00117 m3/kg ∴ m/A=Δh* /0.00117=k(kg/m2) 那么任意温度,压力下 CO2 的比容为 v=Δh/(m/A)= Δh/k (m3/kg) 式中Δh=h-h0:h—任意温度、压力下水银柱高度,h0—承压玻璃管内径顶端刻度。 2、测定低于临界温度 t=20℃(或其他温度值)的等温线: (1)使用电节点温度计调节恒温水浴温度 t=20℃,要保持恒温。 (2) 压力记录从 4 MPa 开始, 当玻璃管内水银升起来后, 应足够缓慢地摇进活塞螺杆, 以保证定温条件,否则来不及平衡,读数不准。 (3)两相区内 2mm 高度变化记录一次压力值。两相区外,两个压力变化记录一次高 度值。 (4)注意加压后 CO2 的变化,特别是注意饱和压力 p 与饱和温度的对应关系,液化、 气化等现象,要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表一。 3、测定 t=31.1℃临界等温线,注意观察临界现象。 打开恒温水浴的加热器开关, 将恒温水浴的电接点温度计调至 31.1℃, 重复进行 2 步骤 测出临界等温线,并在该曲线的拐点处找出临界压力 pc 和临界比容 vc,并将数据填入表一。 实验中注意观察: (a)整体相变现象 由于临界点时,汽化潜热等于零,饱和汽线和饱和液线合于一点,所以这时汽液的相互 转变不像临界温度以下时逐渐积累,需要一定的时间,表现为一个渐变的过程;而是当压力

- 11 -

稍有变化时,汽、液以突变的形式相互转化。 (b)汽、液两相模糊不清现象 处于临界点的 CO2 气、液具有共同参数(p,v,t) ,因而不能区别此时 CO2 是气态还是 液态的。如果说它是气体,那么这个气体是接近了液态的气体;如果说它是液体,那么这个 液体又是接近气态的液体。下面就用实验证明这个结论。 因为这时是处于临界温度下,如果按等温线过程进行来使 CO2 压缩或膨胀,那么管内 是什么也看不到的。现在我们按绝热过程来进行,首先在压力等于 7.8 MPa 附近突然降压, CO2 状态点由等温线沿绝热线降到液区,管内 CO2 出现了明显的液面,这就说明,如果这时 管内的 CO2 是气体的话,那么这种气体离液区很接近,可以说是接近液态的气体;当我们 在膨胀之后,突然压缩 CO2 时,这个液面又立即消失了,这就告诉我们这时 CO2 液体离气 区也是非常近的,可以说是接近气态的液体。既然此时的 CO2 既接近气态又接近液态,所 以只能处于临界点附近。可以这样说,临界状态饱和汽、液分不清。这就是临界点附近汽液 模糊不清的现象。 4、测定高于临界温度 t= 50℃时的等温线,将数据填入表一。 五、绘制等混曲线与比较 1、按表一的数据仿图 1 在 p-v 图上画出三条等温线。 2、按实验测得的等温线与图 1 所示的标准等温线比较;深析之间的差异及原因。 3、将实验测定的临界比容 vc 与理论计算值一并填入表二并分析之间的差异及原因。 表二 标准值 实验值 临界比容 vc [m3/kg]

vc =

RTc pc

vc =

3RTc 8 pc

0.00216

六、实验报告要求 1、简述实验原理及过程。 2、各种数据的原始记录。 3、计算及在 p-v 图上画出等温线。 4、分析比较等温线的实验值和标准值之间的差异及原因。分析比较临界比容的实验值 与标准值之间的差异及原因。

- 12 -

6、简述实验收获及实验改进意见。 七、注意事项 1、恒温水流量应足够大,使水套进、出口的水温尽可能接近相同。 2、改变恒温水温度后应稳定足够长的时间,当玻璃水套上的温度计读数与恒温水浴内 已标定的两只温度计读数相同时,二氧化碳处于标定温度,然后再开始测量数据。 3、实验过程中改变不同的实验压力,通过活塞压力计即可实现,改变不同的实验温度 用恒温水浴及其电接点温度计来实现,其中电接点温度计仅用于调节温度。 4、转动活塞式压力计的手轮增大油压时,应使毛细管中的水银面缓缓上升,保持缓慢 压缩毛细管内的二氧化碳气体。 4、每次加压后要有足够的时间让二氧化碳平衡,然后再开始测量数据。实验中读取 h 时,水银柱液面高度的读数要注意,应使视线与水银柱半圆型液面的中间一致。 5、严格遵守活塞式压力计的操作规程,特别是降低压力时,不应使毛细管内的二氧化 碳突然膨胀,以致穿入油室。 6、做各条定温时,实验压力 p<10MPa,实验温度 t≦50℃。 七、分析讨论 实验中为什么要保持加压(或降压)过程缓慢进行?

- 13 -

表一
实验时间: t=
P (MPa) 4.0 4.2 Δh (mm)

实验原始记录表
记录人员: ℃
vc = ?h k
现 象 P (MPa)

实验人员: t=
?h k
现 象 P (MPa) Δh (mm)


vc =

t=
Δh (mm)


vc = ?h k 现 象

(m3/kg)

(m3/kg)

(m3/kg)

- 14 -

注: k = 27.55 (kg/m2)
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- 17 -

实验三
一、实验目的和任务 1、目的:

空气在喷管中流动性能的测定

(1)巩固和验证有关喷管基本理论,熟悉不同形式喷管的机理。 (2)掌握气流在喷管中流速、流量、压力变化的规律及有关测试方法。 (3)加深对临界状态基本概念的理解。 2、任务:分别对渐缩喷管和缩放喷管进行下列测定: (1)测定不同工况(初压 p1 不变,改变背压 pb )时喷管 中的流量 m 的变化;绘制

m ? p b / p1 曲线;比较最大流量 mmax 的理论计算值和实验值;确定临界压力 p c 。
(2) 测定不同工况时( pb > pcr , pb = p cr 和 pb < pcr )气流沿喷管各截面(轴线位 置 X)的压力 p x 的变化;绘制出一组 p x / p1 ? X 曲线;分别比较临界压力 p c 的计算值与 实验值;观察和记录 p c 出现在喷管中的位置。 二、实验原理 1、管中气体流动的基本规律 根据气体在喷管中作一元稳定定熵流动的特点,我们得到气体在变界面管道中,气流 速度 w 、密度 ρ 、压力 p 的变化与界面 A 的变化及马赫数 Ma(速度 w 与当地音速 a 之比) 的大小有关。他们的变化规律如下表: 渐缩管

dA <0 dx

渐扩管

dA >0 dx

Ma
dw dx
<1 >1 >0 <0

Ma
dp dx
<0 >0 <1 >1

dw dx
<0 >0

dp dx
>0 <0

由此可以得到下面的一些结论: (1)在亚音速(Ma<1)等熵流动中,气体在 dA/dx<0 的管道(渐缩管)里,速度 w 增加,而密度 ρ 、压力 p 降低;在 dA/dx>0 的管道(渐扩管)中,速度减少,而密度和压
- 18 -

力增大。 (2)在超音速(Ma>1)等熵流动中,情况正好与亚音速流动的特点相反。气体在渐缩 管仲速度减少,而压力、密度增大;在渐扩管中速度增加,密度、压力降低。 (3)因此要想获得超音速流动,就必须使亚音速 气流先在渐缩管中加速。当气流被加速到 Ma=1,即达 到临界状态时,就要改用渐扩管,以使气流继续加速到 超音速,如图 1 所示。 2、喷管中的流量 m 计算 根 据 气体 一 元稳 定 等 熵 流动 的 连续方程 、 动量 方 程、能量方程及绝热气体状态方程、等熵过程方程,得 到气流在喷管中流量 m 的表达式: Ma=1 图 1 缩放喷管 Ma<1 Ma>1

& = m

? f 2 w2 P 2k P0 ? P2 2 / k = f2 ? ?( ) ? ( 2 ) k +1 / k ? v2 k ? 1 v0 ? P0 P0 ?

kg/s

(1)

式中: k —比热比(绝热指数,k=cp/cv); f 2 —出口截面积,m2; w2 —出口流速,m/s

p 0 —出口滞止压力,Pa; p 2 —出口压力,Pa; v 2 — 出口比容,m3/kg v0 — 滞止比容,m3/kg
由式(1)可以看出:

& = 0; 当 p 2 = p 0 时, m

& = 0; 当 p 2 = 0 时, m

因此,在 0 < p 2 < p 0 时,流量 m 将存在一最大值 mmax 。 令

& dm = 0, dp 2

得到: p 2 = p 0 (

2 k / k ?1 ) k +1

(2)

很显然,满足式(2)的 p 2 即为临界值 p c 。对应于该截面上的气流速度 w2 将达到音速 a。 将 k = 1.4 带入(2)式得:

p 2 = p c = 0.528 p0
将(2)式代入(1)式得 mmax 的表达式为:

(3)

- 19 -

& max = f 2 m

2k 2 2 / k ?1 p 0 ( ) k +1 k +1 v2

(4)

喷管中的流量 m 一旦到达最大值, 再降低背压 pb , 流量 m 保持不变, 流量 m 随背压 pb 的变化关系如图2所示;在每个背压 pb 下,压力在流动方向( x 向)变化曲线如图3所示。

图2 渐缩喷管流量曲线(当 p1 = 1bar , t a = 20 ℃)

图3 渐缩喷管压力曲线
- 20 -

缩放喷管与渐缩喷管的不同点是, 流量达到最大值时的最高背压 pb 不再是 p c ,而应是 某一压力 p*f,如图 4 所示。在每个背压 pb 下,缩放喷管内压力在流动方向( x 向)变化曲 线如图 5 所示。

图4 缩放喷管流量曲线(当 p1 = 1bar , t a = 20 ℃)

图5 缩放喷管压力曲线
- 21 -

3、管中的实际流量 前面(1) 、 (4)式给出理想流动的流量 m 的表达式。实际上,由于气流与管壁的摩擦 所产生的边界层,减少了流动截面积。因此,实际流量是小于理论流量。两者之比成为流量 系数。 本实验台是采用锥形入口板流量计来测量喷管的实际流量。 根据孔板流量计上所显示 的压差 ?p (在 U 形管压差计上读出) ,求得流量 m 与压差 ?p 的关系式为:

& = 1.373 × 10 ?4 ?p ? ε ? β ? γ m
式中: ε = 1 ? 2.873 × 10 ? 2

(5)

?p —为流速膨胀系数 B

β = 0.538

B —为气态修正系数 t a + 273.15

γ —几何修正系数(标定值,本实验条件下取 γ =1) B —大气压,Pa;
流量也可以用图 6 给出的

t a —室温,℃ & m ? ?p 曲线查得。 εβγ

在实际测试中,由于喷管前装有孔板流量计,将有压力损失。对本实验台,损失等于压 差计读数 ?p 的 97%。这样,进口压力:

p1 = B ? 0.97?p

(6)

为了消除进口压力 p1 改变的影响,在绘制各种曲线时,采用压力比坐标:压力曲线用

& — pb / p1 。 p / p1 — x ;流量曲线用 m
' 由于实验台采用的是真空表测压, 因此临界压力 p c 在真空表上的读数 p c (真空度) 为: ' pc = B ? pc

(7)

将(3)式代(7)式得:

pc' = B ? 0.528 p1 (一般 p1 = p 0 )
最后将(6)式代入(8)式得
' pc = B ? 0.528( B ? 0.97?p)

(8)

= 0.472 B + 0.51?p

(9)

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图 6 孔板流量计

& m ? ?p 曲线 εβγ

四、实验装置 实验装置主要由实验台本体和真空泵组成。 实验台本体结构如图7所示。由于真空泵的抽吸,空气自吸气口2进入气管1(Φ57×3.5的无 缝钢管)中,经过孔扳流量计3(Φ7)进入喷管。流量的大小可以从U型管压差计4读出。 该管5用有机玻璃制成,有渐缩和缩放两种形式如图8、9所示。根据实验要求,可松开夹持 法兰上的螺栓,向左推开进气管的三轮支架6,更换所需的喷管。喷管各截面上的压力是由 插入喷管内的测压探针7(内径为Φ0.8)连至可移动标准真空表8测得,他们的移动通过手 轮螺杆机构9实现,从而改变测压孔的位置,进行喷管中不同截面上压力的测量。在喷管后 的排气管上还有背压真空表10、真空罐12,起稳定背压的作用,罐内的真空度通过背压调节
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阀11’来调节,为减少振动,真空罐与真空泵之间用软管连接。



图7 喷管实验台

图8 渐缩喷管构造

图9 缩放喷管构造

测压孔位置, 可以由位于可移动真空表8下方的指针, 在坐标板上所指出的 x 值来确定。

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喷管的排气管上还装有背压 pb 真空表10。背压由调节阀11‘调节,真空泵12前的调节阀11用 于急速调节。 直径为Φ400的真空罐12是用于稳定背压 pb 的作用。为了减少震动,泵与罐之间用软管 13连接。 在实验中需测量4个变量: (1)测量探压7上测压孔的水平位置 x ;(用位移指针的位置 x 测得) (2)气流沿喷管轴线 x 截面上的压力 p x ;(可移动真空表8上的读数 p 测得) (3)背压 pb ;(背压真空表10上的读数测得)

& ( U 形管压差计4上的读数 ?p 测得) (4)流量 m
四、实验步骤 分别对渐缩喷管和缩放喷管进行如下相同步骤: 1、用坐标校准器调好“位移坐标”的基准位置。然后小心地装上要求试验的喷管(注 意:不要碰坏测压探针)。打开调压阀11。 2、对真空泵作开车前检查(检查传动系统、油路、水路)。检查无问题后打开背压调节 阀,用手转动真空泵飞轮一周,去掉气缸中过量的油,开启电动机,当达到正常转速后可开 始实验。 3、全开罐后调节阀11,用罐前调节阀11 调节背压 pb 至一定值。摇动手轮9使测压孔位


置 x 自喷管进口缓慢向出口移动。每隔5mm一停,记下真空表8上的读数(真空度)。这样, 将测得对应于某一背压下的一条

px ? x 曲线。 p1

4、在用罐前调节阀11 逐次调节不同的背压 pb 值,在各个背压值下,重复上述摇动手


轮9的操作过程,而得到一组不同背压下的压力曲线

px ? x 。(如图3和5所示)。 p1

5、摇动手轮8,使测压孔的位置 x 位于喷管出口外30-40mm处。此时真空表8上的读数 为背压 pb 。 6、全开罐后调节阀11,用用罐前调节阀11 调节背压 pb ,使他由全关状态逐渐缓慢开


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& 逐渐增大,当背压降至某一值(渐缩喷管为 启。随背压 pb 的降低(真空度升高),流量 m p c ,缩放喷管为 p f ,见图2和图4)时,流量达到最大值 mmax ,以后,将不随 pb 的降低而
改变。 7、用罐前调节阀11 重复上述过程,调节背压 pb ,每变化0.0025MPa一停,记下真空


表10上的背压读数和U型压力计4上的压差 ?p (mmH2O)读数,将读数换算成压力比

pb 和 p1

& (可用图 上给出 流量 m

& m ? 10 3 ? ?p 曲线求得流量 m ) ,在坐标纸上绘出流量曲线(如 εβγ

图2、图4所示) ,进行分析。 8、在实验结束阶段真空泵停机前,打开罐前调节阀11 ,关闭罐后调节阀11,使罐内充 气。当关闭真空泵后,立即打开罐后调节阀11,使真空泵充气,以防止真空泵回油。最后关 闭冷却水阀门。 五、数据记录 实验中认真做好原始数据记录(包括室温 t a ,大气压力 B 及实验日期),填入表1和 表2。如发现试验结果出现较大误差,应仔细分析查找原因。 在整理数据时,由于各种实验曲线都是以压力比( 力换算为相同单位进行计算。 六、数据处理 包括以下内容 1、计算管中的理论流量 m ; 2、计算管中的实际流量;


pb p x , )作坐标,因此必须将压 p1 p1

& ? p b / p1 )和压力距离曲线图( p x / p1 ? x )。 3、画出喷管流量曲线图( m
? ????理论流量计算举例: 如某x处的表压为 p x = 15kPa ,大气压 B = 94.58kPa ,该表压对应的液柱高度为

?h = 160mm ,则:
由公式(6)该表压下进口压力

p1 = B ? 0.97?h = 94.58 ? 160 × 0.97 = 93.06kPa

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由理想气体方程该处气体比容为: 该处绝对压力为: 该处压力比为: 代入公式(1)得到理论质量流量: 七、讨论 1、分析实验结果。 2、实验的收获、体会及存在问题。 3、对实验的改进意见。 八、思考题

v1 = Rg T / p1 = 0.90362m 3 / kg p = B ? p x = 79.58kPa p / p1 = 0.84 m = 2.083 × 10 ?3 kg / s

1、何谓喷管的临界状态? 临界压力 p c 如何确定? 2、渐缩和缩放喷管出口截面压力 p 2 与背压 pb 之间有何关系? 3、渐缩喷管的 p 2 能降到临界压力 p c 以下吗? 缩放喷管的 p 2 能将到 p c 以下吗? 4、渐缩和缩放喷管的临界压力 p c 各出现的位置在何处? 各截面的流量相同吗?

注:表1、2中的曲线用方格纸绘制。

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喷管实验记录(一)
室温 t a = 喷管形式: 喷管截 面据入 口距离 p = x (mm) b1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 截面压力(Pa) ;当地大气压 B =

表1

pb 2 =

pb 3 =

pb 4 =

pb 5 =

pb 6 =

px/p1 测 定 的 压 力 截 面 距 离 曲 线

X (mm)

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喷管实验记录(二)
喷管形式: 喷管背压 pb 真空度 (Pa) 绝对压力 (Pa) 主要参数 最小截面积: 喷管流量 U型压差 ?p (mmH2O)

表2

进口压力 p1 真空度 (Pa) 绝对压力 (Pa)

& 质量流量 m (Kg/s)

Kg/s

测 定 的 流 量 背 压 曲 线

pb/p1 临界压力 计算值 实验值

& max 最大流量 m
(Kg/s)

计算值 实验值

p c (Pa)

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实验四
一、实验目的

制冷(热泵)循环演示实验

1、演示制冷(热泵)循环系统的工作原理,观察制冷工质的蒸发、冷凝过程和现象; 2、熟悉制冷(热泵)循环系统的操作和调节方法; 3、进行制冷(热泵)循环系统初步的热力计算。 二、制冷(热泵)的基本原理 1、制冷(热泵)循环的基本概念 制冷(热泵)循环是一种逆向循环,其目的在于将低温物体(热源)的热量转移到高温 物体(热源)中去。根据 Clausius 关于热力学第二定律的叙述,要实现热量由低温物体向高 温物体的迁移,外界必须向系统提供机械能或者热能。 制冷循环与热泵循环从原理上讲是完全相同的, 区别在于工程应用中侧重点不同。 制冷 循环的主要目的是从低温物体(热源)取走热量,以维持低温;而热泵循环的主要目的是不 断向高温物体(热源)输送热量,以维持高温。因此工程实际中制冷机和热泵在设计和制造 上有一定区别。 2、制冷(热泵)循环的经济性指标 制冷循环的经济性指标是制冷系数; 热泵循环的经济性指标是供热系数。 其计算方法均 是得到的收益与消耗的代价的比值。以卡诺逆循环为例,在图 1 所示的 T-s 图上,高温热源 温度为 TI,低温热源温度为 TII,那么根据制冷系数的定义得到下式:

(1) 上式中 QII 表示从低温热源带走的热量,QI 表示向高温热源释放的热量,W 代表外界对 系统所做的功或者提供的热。

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3、蒸气压缩式制冷循环的基本原理 蒸气压缩式制冷是各种制冷方式中应用范围最广的制冷方式。本演示实验也是根据蒸 气压缩式制冷的原理设计的。 图 2 所示为蒸气压缩式制冷循环的设备示意图和 T-s 图。 主要设备包括压缩机、 冷凝器、 膨胀阀和蒸发器。具体的循环过程的描述是:工质从蒸发器流出时为干饱和蒸气(状态 1) ;

图 2 蒸气压缩式制冷循环的设备示意图和 T-s 图

进入压缩机进行可逆绝热压缩过程(过程 1—2) ,工质升压升温至过热蒸气(状态 2) ;过热 蒸气进入冷凝器,实现可逆定压放热过程(过程 2-3-4) ,至饱和液态(状态 4) ;饱和液 经过膨胀阀作不可逆绝热节流过程(过程 4-5) ,降压降温至状态 5;低温液体进入蒸发器 实现可逆定压蒸发过程(过程 5-1) ,达到饱和气态(状态 1) 。这样完成了一个循环。其中 过程 5-1 从低温热源带走热量,过程 2-3-4 向高温热源放出热量。 三、实验装置 本实验装置由全封闭式压缩机、换热器 1、换热器 2、浮子式节流阀、四通换向阀以及管路 组成制冷 (热泵)循环系统;由流量计以及换热器内盘管组成水系统; 同时设有温度、 压力、 电流、电压等测量仪表,用于测量工质温度以及对系统实现控制。装置示意图如图 3 所示, 当系统做制冷循环时,换热器 1 做蒸发器,换热器 2 做冷凝器;热泵循环时换热器 1 做冷凝 器,换热器 2 做蒸发器。系统使用低压工质 R11 做制冷剂。

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图 3 制冷(热泵)循环演示装置示意图 四、实验步骤 一、制冷循环演示: 1. 把四通换向阀调至“制冷”位置; 2. 打开连接演示装置的供水阀门,利用浮子流量计阀门适当调节蒸发器、冷凝器水流 量; 3. 开启制冷压缩机,观察工质冷凝、蒸发过程及其现象; 4. 待系统运行稳定后,即可记录压缩机输入电流、电压、冷凝压力、蒸发压力、冷凝 器和蒸发器的进、出口温度以及水流量等参数。

图 4 制冷剂流向改变流程图

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二、热泵循环演示: 1. 把四通换向阀调至“热泵”位置; 2. 类似上述 2、3、4 步骤进行操作和记录。 五、数据记录和处理—制冷(热泵)循环系统的热力计算 数据准备: 1、通过演示实验台可以直接观测记录的数据是: 换热器 1 的进口水温 t1[℃]、出口水温 t2[℃]、水流量 G1[kg/s]; 换热器 2 的进口水温 t3[℃]、出口水温 t4[℃]、水流量 G2[kg/s]; 换热器 1 内制冷剂工质压力 p1; 换热器 2 内制冷工质压力 p2 ; 环境温度 t0[℃]; 电机电压 V[V]、电流 I[A]; 2、计算所需要的物性参数和常数: 水的定压比热 cp=4.1868kJ/kg·K; 换热器的热损失系数(实验标准) ,取φ=0.1kW/℃; 电机效率η=98%; R11 在蒸发压力下对应的饱和温度 te[℃]; R11 在冷凝压力下对应的饱和温度 tc[℃]; (te 和 tc 需查 R11 热力性质表) 一、当系统作制冷循环时 换热器1的热损失为: qe = φ (t 0 ? t e ) × 10 ?3 换热器1的制冷量为: Q1 = G1c p (t1 ? t 2 ) + q e 换热器2的热损失为: qc = φ (t 0 ? t c ) × 10 ?3 换热器2的换热量为: Q2 = G 2 c p (t 3 ? t 4 ) + q c 压缩机轴功为: 热平衡误差为: ? 1 = [kW] [kW] [kW] [kW] [kW]

N =η

V ?I 1000

Q1 ? (Q2 ? N ) × 100% Q1

制冷系数为: ε 1 =

Q1 N
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二、当系统作热泵循环时 换热器1的热损失为: qc = φ (t 0 ? t c ) × 10 ?3 换热器1的制热量为: Q1 = G1c p (t1 ? t 2 ) + q c 换热器2的热损失为: [kW] [kW] [kW] [kW] [kW]

qe = φ (t 0 ? t e ) × 10 ?3

换热器2的换热量为: Q2 = G 2 c p (t 3 ? t 4 ) + q e 压缩机轴功为: 热平衡误差为: ? 1 =

N =η

V ?I 1000

Q1 ? (Q2 + N ) × 100% Q1

制热系数为: ε 2 = 六、注意事项

Q1 N

1、 为确保安全,切忌冷凝器不通水或无人看管情况下长时间运行; 2、 实验结束后,首先关闭压缩机,过一分钟后再关闭供水阀门; 3、 控制工质压力,不能超过 0.2Mpa。 七、思考题 1、分析实验结果,指出影响各参数测定精度的因素; 2、指出本系统运行参数的调节手段是什么。 八、实验预习要求 1、复习教材中有关制冷(热泵)循环方面的原理和公式; 2、了解一些常用的制冷方法; 3、了解常用的制冷剂的基本性质,命名规则以及制冷剂对环境的影响等方面的知识。

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实验五
一、实验目的

恒热流准稳态平板法测定材料热物性实验
(导热系数、比热容、导温系数)

1、通过实验测出温度变化曲线,进一步加深了 解不稳定导热过程的特征。 2、对导热系数、导温系数及比热容有比较直观 的认识,并掌握快速测定材料热物性的实验方法和 技术。

二、实验原理 1、 根据导温理论,对厚度为 2δ ,初始温度为 t i 、导热系数为 λ 、导温系数为 α 的无 限大平板,当其两表面用恒热流密度 q w 加热时,平板内任意点的温度可表示为

t ? ti =

q wδ λ

? 1 x 2 1 2 ? Fo + 2 ( δ ) ? 6 + ( nπ ) 2 ?

∑ ( ? n)
n =1



n +1

cos(nπ

? x ) exp( ? n 2π 2 F0 )? δ ?

(1)

当加热经过一段时间后,即 Fo > 0.5 时,(1)式中的级数项便可略去不计了。这时可 得简单的关系式

t ? ti =

q wδ λ

1 x 1? ? Fo + ( ) 2 ? ? ? 2 δ 6? ?

(2)

由(2)式可见,板内各点温度随时间是线性变化的, 而与板面垂直的坐标 X 是成抛物线关系的。如图1所示。 这就是不稳定导热达到准稳态时的温度场特征。对于

X = ±δ 的加热面和 X = 0 的中心面,上式分别写成 t w = ti + q wδ 1 ( Fo + ) 3 λ q wδ 1 ( Fo ? ) λ 6

t c = ti +

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由上面两式可得导热系数为

λ=

q wδ q δ = w 2(t w ? t c ) 2?t

W/(m·K)

(3)

式中, ?t = t w ? t c 一 同一瞬时加热面与中心面间的温差,℃;

q w 一 单位面积平板表面所获得热流量,W/m2; δ 一 平板的半宽度,m。
因为从不稳态导热达到准稳态时,板内各点的温度是随时间线性变化的。也就是说,此 时板内各点温度对时间的变化率是相同的,故只要测出中心面(或加热面)的温度变化率, 就可以按定义写出比热容的计算式

c=

qw δt ρδ ( ) c ?τ
3

J/(kg·K)

(4)

式中: ρ 一试材的密度,kg/m ;

(δt / ?τ ) 一中心面的中心温度变化率,℃/s。
按定义,材料的导温系数可表示为

λ δλ δt δ 2 δt a= = ( )c = ( )c υc q w ? τ 2?t ?τ

m /s

2

(5)

综上所述,应用恒热流准稳态平板法测试材料热物性时,在一个实验上可同时测出材料的 三个重要热物性一导热系数、比热容和导温系数。 三、实验设备 实验设备包括 SEI-3 型准稳态法热物性测定仪、计算机和实验控制软件,如图 2 所示。 SEI-3 型准稳态法热物性测定仪内实验本体由四块厚度均为 δ 、 面积均为 F 的被测试材重叠 在一起组成。在第一块与第二块试材之间夹着一个薄型的片状电加热器;在第三块和第四 块试材之间也夹着一个相同的电加热器;在第二块与第三块试材交界面中心和一个电加热 器中心各安置一对热电偶;这四块重叠在一起试材的顶面和底面各加上一块具有良好保温 特性的绝热层。然后用机械的方法把它们均匀地压紧。电加热器由直流稳压电源供电,加 热功率由计算机检测。两对热电偶所测量到的温度由计算机进行采集处理,并绘出试材中 心面和加热面的温度变化曲线。
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四、实验步骤 1、用游标卡尺对试材的厚度进行测量(单位:mm)并用天平称其称重(单位:g)。 2、将试材按实验要求装入SEI-3型准稳态法热物性测定仪实验本体内。(注:用手拿取 试材时一定要拿试材的边缘,不要用手接触试材的加热面,以免破坏试材的初始温度场。) 3、 接通计算机和SEI-3型准稳态法热物性测定仪电源。 使计算机进入windows操作系统。 在计算机桌面上双击SEI-3图标,使计算机进入SEI-3型准稳态法热物性测定仪的教学实验软 件系统(如图3)。

4、仔细阅读教学实验软件系统上的实验步骤。点击“我认真阅读了实验步骤”按钮。 5、 在相应的栏目内按要求输入试材名称、 试材厚度、 试材重量和预计试材导热系数 (试 材厚度和重量为单块试材的平均厚度和重量)。输入完成后,计算机在相应的栏目内给出试
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材容重和实验加热电压。加热器预加电压分串、并联两种。对应SEI-3型准稳态法热物性测 定仪的功率选择为大(并)、小(串)之分。通常SEI-3型准稳态法热物性测定仪的功率选 择开关选择在小 (串) 位置, 只有当加热器预加电压 (串联) 大于20伏特时, 再选择在大 (并) 的位置。调节SEI-3测定仪的电压调节旋纽,使加热电压在加热器预加电压值附近。将实验 人员的学号填入 “学号” 栏目内, 点击 “加入学号” 按钮。 实验人员学号输入完成后点击 “确 认“小组学号”按钮,即可进行实验。 6、点击“测量”按钮并同时打开SEI-3测定仪的加热开关。观察加热表面和绝热表面 的温度变化过程,当两表面的温差不变时,即温差曲线走平时,表明不稳态导热达到准稳态 时的温度场特征,可点击“结束”按钮并关闭SEI-3测定仪的加热开关(如图4)。

7、如果有打印机,可点击“打印”按钮,打印出实验所有数据。没有打印机可点击“保 存”按钮,保存所有实验数据。点击“复位”可重新实验,点击“退出”可结束实验。最后 将保存的实验数据读出,记录在实验数据表中。 五、试材热流密度 q w 的计算 这里我们虽然用薄片状电加热器加热,但它毕竟有一定的热容量,在加热过程中,加热 器本身要吸收热量, 且先于试材。 因此试材实际所吸收的热量必需从电功率中扣除电加热器 所吸收的热量。 根据实验原理, 我们仅研究电加热器对中间两块试材加热时的温度变化就可以了, 但为 了避免因电加热器向外难以估计的散热给qw的计算带来困难, 所以在两加热器外侧各补上一 块同厚度的试材并加以保温,这样,电加热器将同等地加热其两侧的每块试材,每块试材内 的温度场对于电加热器是对称的。
- 40 -

两个同样的电加热器是并联(或串联)供电的。基于以上分析,试材表面实验所吸收的 热量应为:

qw =
式中

U ? I C h δt ? ( )h 4F 2 ?τ

W/m2

(6)

U 一加热器的电压,V; I 一加热器的电流A; F 一加热器(即试材)面积,m2; C h =0.079 J/m2·℃ 一 加热器单位面积的比热容; ( δt δt ) h = ( ) w — 加热器(也是试件加热面的温度变化率),准稳态时,有 ?τ ?τ δt δt δt ( ) h = ( ) w = ( ) c , ℃/s。 ?τ ?τ ?τ

六、实验要求 1、预习实验指导书,弄懂实验原理和实验方法。 2、细心装配试材,电加热器和热电偶,避免损坏。 3、根据实验数据,绘出温度变化曲线。计算出试材的导热系数、比热容和导温系。 七、实验数据记录 试材名称 加热电流 ;试材厚度 A;加热电压 mm;试材重量 V; 试材面积 100×100 g; mm2

时 间

热面 温度 ℃

冷面 温度 ℃

时 间 5’30’’ 6’ 6’30’’ 7’ 7’30’’ 8’ 8’30’’

热 面 温 度 ℃

冷面 温度 ℃

时 间 11’ 11’30’’ 12’ 12’30’’ 13’ 13’30’’ 14’

热面 温度 ℃

冷面 温度 ℃

0 30’’ 1’ 1’30’’ 2’ 2’30’’ 3’

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3’30’’ 4’ 4’30’ 5’

9’ 9’30’’ 10’ 10’30’’

14’30’’ 15’ 15’30’’ 16’

八、思考题 1、本实验方法有哪些方面的误差?如何减少? 2、试材与试材间和试材与电加热器间都有缝隙,存在着接触热阻,它们对测试结果有 何影响? 3、如因加工偏差而使中间二块试材厚度不等,一块厚度为1.2 δ ,另一块厚度为0.8 δ , 其余条件不变,试计算由此而引起的测试结果的偏差各为多少? 4、如果将两对热电偶接成温差热电偶,测出加热面与中心面的温差,计算出试材的导 热系数。这样做法行吗?如行的话,实验怎样做? 5、本实验装置可否用于测量金属等良导体的热物性?可否用于测量湿材的热物性? 6、如欲测试材在不同温度下的热物性,可采取什么措施? 7、本实验装置在四周既无辅助的加热器又无保温,这会造成较大误差吗?为什么? 8、本实验装置对试材顶部和下部的保温材料有什么要求? 9、能否用此法测定导热系数很小的试材热物性?测导温系数很小的试材行吗?

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实验六
一、实验目的

液体导热系数测定

1、用稳态法测量液体的导热系数 2、了解实验装置的结构和原理,掌握液体导热系数的测试方法 二、工作原理 如图 1 所示,平板试件(这里是液体层)的上表面受一个恒定的热流强度 q 均匀加热 q=Q / A [ w / m2 ] (1)

根据傅立叶单向导热过程的基本原理,单位时间通过平板试件面积 A 的热流量 Q 为:

? T ? T2 ? Q = λ? 1 ?A ? δ ?
从而,试件的导热系数λ为:

(2 )

λ = Q ? δ / A(T1 ? T2 )

(3 )

A---试件垂直于导热方向的截面积 [m2] T1---被测试件热面温度 [K] T2---被测试件冷面温度 [K] δ---被测试件导热方向的厚度 [m]

图1 三、实验装置 装置如图 2 所示,主要由循环冷水槽 2、上下均热板 3、测温热电偶 7 及其温度显示部 分、液槽 9 等组成。 为了尽量减少热损失,提高测试精度,本装置采取以下措施: 1、设隔热层 5,使绝大部分热量只向下部传导。
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2、为了减小由于热量向周围扩散所引起的误差,取电加热器中心部分(直径 D=0.15m) 作为热量的测量和计算部分。 3、在加热器底部设均热板 3,以使被测液体热面温度(T1)更趋均匀。 4、设循环冷却水槽 2,以使被测液体冷面温度(T2)恒定(与水温接近) 。 5、被测液体的厚度δ是通过放在液槽中的垫片来确定的,为防止液体内部对流传热的 发生,一般取垫片厚度δ≤2—3mm 为宜。

图2 1-调整水准的螺丝 2-循环冷却水槽 3-上下均热板 4-电加热器 5-隔热板 6-电控箱 7-测温热电偶 8-侧厚垫片 9-液槽 四、实验步骤 1、参将选择好的三块垫片按等腰三角形均匀地摆放在液槽内(约为均热板接近边缘处) 。 2、将被测液体缓慢地注入液槽中,直至淹没垫片约 0.5 mm 为止,然后旋转装置底部的 调整螺丝,并观察被测液体液面,使被测液体液面淹没三片垫片。 3、将上热面加热器轻轻放在垫片上。 4、连接热电偶插头及电位差计(用户自备) 。 5、接通循环冷水槽上的进出水管,并调节水量。 6、接通电源,按下 V1 琴键开关,调整输入电压(V1)达到其预定值(主要热面温度不得 高于被测液体的闪点温度)。 7、按下 V2 琴键开关,并记录测量部位电压 V2 及通过的电流 I。
- 45 -

8、每隔 5 分钟左右从温度数显器上记下被测液体冷、热面的温度读值(℃) 。建议将它们 记入如表一的记录表中,并标出各次的温差ΔT= T1- T2。当连续四次温差值的波动≤1℃时, 实验即可结束。 9、实验完毕后切断电源、水源并关闭电位差计。 [注]若发现 T1 一直在升高(降低) ,可降低(提高)输入电压或增加(减少)循环水槽的 水流速度。 五、测试记录 被测液体: ,液体厚度: , ,电加热器的输入电压:V1= ,加热器工作电流:I= ,

有效导热面积的计算直径:D= 相应有效导热面积的加热器电位差:V2=

热面、冷面温度 T1、T2 读数记录表 No 时:分 T1(℃) T2(℃) ΔT(℃) 六、数据处理 1、有效导热面积 A 2、平均传热温差 A =πD2/4 [m2] 1 2 3 4 5 备注

?T =

∑ (T
1

k

1

? T2 )
[℃]

4

3、单位时间通过面积 A 的热流量 Q Q=V2·I 4、液体的导热系数λ [W]

λ = Q ? δ / A ? ?T

[W/(m·k)]

式中:D---电加热器热量测量部位的直径(取 D=0.15m)[m] T1---被测试件热面温度 [K] T2---被测试件冷面温度 [K] V2---热量测量部位的电位差 [V]

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I---通过电加热器的电流 [A] δ---被测试件导热方向的厚度 [m]

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实验七
一、实验目的

强迫对流管族管外换热系数实验

1、了解对流换热的实验研究方法; 2、 测定空气横向流过管族表面时的平均换热系数 α , 并将实验数据整理成准则关系式; 3、测量风速、温度、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换热系数 α 与流体流速、物体几何参数、物体 间的相对几何位置以及流体物性等的关系可用下列准则方程式描述:

Nu = f (Re, Pr)
实验研究表明,空气横掠管族表面时,由于空气普朗特数(Pr=0.7)为常数,故一般可 将上式整理成下列的指数形式,

Nu m = C Re n m
式中 C、n 均为常数,由实验确定。 Num-努谢尔特准则 Nu m = αd λ m

Rem-雷诺准则

Re

m

=

ud νm

上述各准则中, α -壁面平均对流换热系数,[W/m ·℃];
2

d -实验管外径,作为定性尺寸,[m]; λ -空气导热系数,[W/m℃]; u -空气流过实验管外最窄截面处流速,[m/s]; v -空气运动粘度,[m2/s]。
角下标“m”表示以空气边界层平均温度 t m = (t w + t f ) / 2 作为定性温度。式中: t w - 实验管壁面平均温度[℃]; t f -空气平均温度[℃]。 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,然后测定有关的数据: 电流及电压的功率、管壁温度 t w 、空气温度 t f 、微压计动压头 h。
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至于 α 、u 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书中查得。 得到一组数据之后,可得一组 Re、Nu 值;改变空气流速,又得到一组数据,再得一 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 本对流实验在一实验风洞中进行。实验风洞主要由风洞主体、风机、构架、实验管及其 加热器、水银温度计、倾斜式微压计、毕托管、热工仪表、功率表及调压变压器等组成。 实验风洞如图 1 所示(温度计、微压计、功率表以及调压变压器等在图中未标出) 。

图1 1-双扭曲线进风口 2-蜂窝器 7-受缩段

实验装置简图 4-第一测试段 5-实验段 6-第二测试段

3-蒸流金属网

8-测速段

9-橡皮连接管

10-风机 11-皮托管

由于实验段前由两段整流,可使进入实验段前的气流稳定。毕托管置于测速段,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。 实验段未一叉排或顺排管族段,实验管置于管族第三排,管内装有电加热器作为热源, 管族嵌有四对热电偶对测壁温。 四、实验步骤 1、将毕托管与微压计连接好,校正零点;连接热电偶与加热器、功率表以及调压变压 器的热工仪表电器箱线路连接好。经指导教师检查确认无误后,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 (壁温热电偶电势在三分钟内保持读数不变,
- 49 -

即可认为已达到稳定状态) 后, 开始记录热电势、 电功率、 空气进出口温度及微压计的读数, 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,同一负荷时的实验数据。 5、不同热负荷条件下的实验,仅需利用调压变压器改变电加热器功率,重复上述实验 步骤即可。 6、实验完毕后,先切断实验管加热器电源,待实验管冷却后再关闭风机。 五、实验数据的整理计算 1、壁面平均换热系数 α 电加热器所产生的总热量 Q, 除了以对流方式由管壁传给空气外, 还有一部分是以辐射 方式传出,因此,对流换热量 Qc 为

Qc = Q ? Qr = W ? Qr
? 4 T ?4 ? T ? ? ?? f ? ? ? w ? ? ? Qr = εC F ? 0 ? 100 ? ? 100 ? ? ? ? ?? ? ? ? ?

式中: Qr -辐射换热量[W];

W -加热电功率[W]; ε -试管表面黑度;ε=0.6~0.7;
C0-绝对黑体辐射系数;C0=5.67[W/m ·K4];
2

Tw -管表面的平均绝对温度[K]; T f -空气进出口的平均绝对温度[K];
F-管表面积[m2]。 根据牛顿公式,壁面平均对流换热系数为 α= ?t ? t ? w f ? Q c ?F ? ?

2、空气流速的计算 采用毕托管在测速段截面中心点进行测量, 由于实验风洞测速段分布均匀, 因此不必进 行截面速度不均匀的修正。
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若采用倾斜式微压计测得的动压头为 h,则由能量方程式:

p1 u 2 p 2 + = +0 r空 2 g r空


p 2 ? p1 = (r酒 ? r空 )h

u


=

2g p2 ? p 1 = r空

(

)

2g (r酒 ? r空 )h = r空

2 gh(ρ 酒 ? ρ 空 ) ρ空

式中: ρ 酒 -微压计酒精的密度, ρ 酒 =0.81×103kg/m3;

ρ 空 -空气的密度,根据空气的平均温度,可在有关书中查得。
h-倾斜式微压计液柱高[m]。 由上式计算所得得流速式测速截面处得流速, 而准则式中得流速是根据流体流过实验管 最窄截面得流速 u 。由连续性方程:

u测 F测= u (F试 ? L ? d ? n ) u=
式中: u 测 -测速处流体的流速[m/s];

u测 F测 F试-L ? d ? n

u -实验管最窄截面处流速[m/s]; F测 -测速处流道截面积[m2], F测 =150×80mm2。 F试 放试管处流道截面积(m2) 。 F试 =450×150mm2;
L-实验管有效管长;L=450mm; d-实验管外径;d=38mm; n-实验管数。 3、计算定性温度 t m ,并查出空气有关物性参数。 4、确定准则方程式 将数据代入准则式,并分别求得几组准则数,即可在 Num 为纵坐标和以 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

lg Nu m = lg C + n lg Re m
lgC 为直线的截距,n 为直线的斜率,取直线上的两点,即可得:
- 51 -

n=

lg Nu 2 ? lg Nu1 lg Re 2 ? lg Re1 C= Nu m Re n m

即可得出具体的准则方程式:

Nu m = C Re n m
注意:为减少取点误差,可多取几对点,得出多对 C、n 值。然后取其平均值作为最后 的 C、n 值。 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 m = C Re n 图线 m 4、误差分析。

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实验八
一、实验目的

中温辐射黑度测试实验

1、用比较法定量地测量中温辐射时物体的黑度 ε 。 二、实验原理 由 n 个物体组成的辐射换热系统中,利用净辐射法,可以求出物体 i 的纯换热量 Qnet ,i

Qnet.i = Qabs ,i ? Qe ,i = d i ∑ ∫ Eeff , kψ ( dk )i dFK ? ε i Eb,i Fi
k =1 FK

n

(1)

式中:

Qnet ,i — i 面的净辐射换热量。 Qabs ,i — i 面从其他表面的吸热量。 Qe,i — i 面本身的辐射热量。 εi
— i 面的黑度。

ψ ( dK ),i — k 面对 i 面的角系数。 E eff , k — k 面的有效辐射力。 Eb ,i — i 面的辐射力。 d i — i 面的吸收率。 Fi — i 面面积。
根据本实验的设备情况(见图 1) ,可以认为: 1、 热源 1 和黑体腔体 2 为黑体。 2、 热源 1,黑体腔体 2,待测物体(受体)3,它们表面上的温度均匀。

1
1-热源

2
图1 2-黑体腔体
- 55 -

3
3-待测物体(受体)

因此,公式(1)可写成:

Qnet , 3 = α 3 ( Eb1 F1ψ 1,3 + Eb 2 F2ψ 2, 3 ) ? ε 3 Eb3 F3
因为: F1 = F2 ; ε 3 = α 3 ;ψ 3, 2 = ψ 1, 2 。又根据角系数的互换性 F2ψ 2 ,3 = F3ψ 3, 2 ,则:

q3 =

Qnet ,3 F3

= ε 3 ( Eb1 F1ψ 1,3 + Eb 2 F2ψ 2, 3 ) ? ε 3 Eb 3 F3 = ε 3 ( Eb1 F1ψ 1, 3 + Eb 2 F2ψ 2,3 ? Eb 3 F3 )
(2) (3)

由于受体 3 与环境主要以自然对流方式换热,因此: q3 = α (t 3 ? t f ) 式中:

α —换热系数 t 3 —待测物体(受体)温度 t f —环境温度
由(2) (3)式可得:

ε3 =

α (t 3 ? t f ) Eb1ψ 1,3 + Eb 2ψ 2, 3 ? Eb 3

(4)

当热源 1 和黑体腔体 2 的表面温度一致时, E b1 = E b 2 ;并考虑到体系 1,2,3 为封闭 系统,则:

ψ 1, 3 + ψ 1, 2 =1
由此, (4)式可写成:

ε3 =

α (t 3 ? t f ) Eb1 ? Eb 3
-8 2

=

α (t 3 ? t f ) σ (T14 ? T34 )
4

(5)

式中 σ 为斯蒂芬-玻尔兹曼常数,5.67×10

W/m ·K 。

对不同待测物体(受体)a,b 的黑度 ε 为:

ε a=
设 α a = α b ,则:

α a (t 3a ? t f ) σ (T ? T )
4 1a 4 3a

; ε b=

α b (t 3b ? t f )
4 σ (T14 b ? T3b )

4 ε a T3a ? T f T1b ? T34 b = ? 4 ε b T3b ? T f T14 ? T a 3a

(6)

- 56 -

当 b 为黑体时, ε b = 1 , (6)式可写成
4 T3a ? T f T1b ? T34 b ? εa = 4 T3b ? T f T14 ? T a 3a

(7)

三、实验装置 实验装置简图如图 2 所示

图 2 中温辐射黑度装置 1-热源 2-黑体腔体 3-被测受体 4-导轨 5-黑体腔体右加热电压表 8-热源电压旋钮 11-测温接线柱

6-黑体腔体左加热电压表 9-黑体腔体左电压旋钮

7-热源加热电压表

10-黑体腔体右电压旋钮 13-电源开关

12-测温转换开关

热源腔体具有一个测温热电偶,传导腔体有二个热电偶,受体有一个热电偶,他们 都可以通过琴键转换开关来切换。 四、实验步骤 本仪器用比较法定量地测定被测物体的黑度, 具体方法通过三组加热器电压的调整 (热 源一组,黑体腔体二组) ,使热源和黑体腔体的测温点稳定在同一温度上,然后分别将“待 测” (受体为待测物体,具有原来的表面状态)和“黑体” (受体仍为待测物体,但表面熏 黑)两种状态的受体在相同的温度条件下,分别测出受到辐射后的受体温度,就可按公式 计算出待测物体的黑度。 具体步骤如下: 1、 将热源腔体和受体腔体(使用具有原来表面状态的物体作为受体)靠紧黑体腔体。
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2、用导线将仪器上的测温接线柱 11 与电位差计上的“未知”接线柱“+” “-”极连接 好。按电位差计使用方法进行调零、校准并选好量程(XI 档) 3、接通电源,调整热源、黑体腔体左和黑体腔体右的调温旋钮,使其相应的电压表指 针调至红点位置,加热约 40 分钟左右,通过测温转换开关,测试热源、黑体腔体左、黑体 腔体右的温度,并根据测得的温度,微调相应电压旋钮,使其三点温度尽量一致。 4、系统进入横温后(各测温点基本接近,且在 5 分钟各点温度波动小于 3℃) ,开始测 试受体温度,当受体温度 5 分钟内的变化小于 3℃时,记下一组数据。 “待测”受体实验结 束。 5、取下受体,将受体冷却后,用松脂(带有松脂的松木)或蜡烛将受体熏黑,然后重 复以上实验,测得第二组数据。 将两组数据代入公式即可得出待测物体的黑度 ε 。 五、注意事项 1、热源及腔体的温度不宜超过 200℃ 2、每次做原始状态实验时,建议用汽油或酒精将待测物体表面插净,否则,实验结果 将有较大出入。 六、实验所用计算公式 根据(6)式本实验所用计算公式为:

ε受 ε0
式中:

4 ?T受 T源 ? T34 b = ? '4 4 ?T0 T源 ? T3a

(8)

ε 0 —相对黑体的黑度,可假设为 1。 ε 受 —待测物体(受体)的黑度。 ?T0 —黑体与环境的温差。 ?T受 —受体与环境的温差。 T源 —受体为相对黑体时热源的绝对温度。 T ' 源 —受体为北测物体时热源的绝对温度。 T0 —相对黑体的绝对温度。

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T受 —待测物体(受体)的绝对温度。

实验数据记录表
序号 No 1 2 3 平均/mV 平均/℃ 热源 mV 1 传导 mV 2 受体(紫铜光面) 备注 mV

序号 No 1 2 3 平均/mV 平均/℃

热源 mV 1

传导

mV 2

受体(紫铜熏面) 备注 mV

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实验总结与体会

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