传热学实验指导书
编写：刘彬 王滨
审核：姜宝成
哈尔滨工业大学能源学院能源动力实验教学中心
2019年3月
目 录
前言 2
实验一、准稳态法测绝热材料的导热系数和比热 4
实验二、不透明材料高温发射率测量实验 7
实验三、气流横掠单管表面对流换热实验 11
实验四、铂丝表面黑度的测定实验（不作要求） 16
前 言
一 实验目的传热学是应用性较强的专业技术基础课，从学科的发展来看，实验是促进其发展的重要研究手段。由于传热过程十分复杂，对其进行科学研究与探索就更加离不开实验。因此，传热学实验是学习理论知识、探求传热过程基本规律的重要教学环节。
根据实测结果验证传热学的基本理论或根据所观察的现象进行深入地思考，以加强和巩固理论知识的学习；
学会使用传热学实验的基本测量仪器，掌握传热学基本量的测量实验技术；
培养分析实验数据、整理实验成果和编写实验报告的能力；
通过综合及设计性实验，学会搜集资料、设计实验方案、改装实验设备，独立完成实验并撰写实验论文，培养实验研究的初步能力；
培养严谨踏实的科学作风和与人融洽合作的共事态度，为将来进行科学研究和实际工作打下良好的基础。
二 实验要求
每次实验前，必须了解本次实验的目的、实验原理和实验所要验证的理论，因此应预习实验指导书和教科书中的有关内容；
进入实验室后，应注意听取指导教师对实验方法的讲授，待完全弄清楚实验方法与步骤后，方能动手实验；
实验中应注意观察实验现象，细心读取实验数据，若实验结果完全错误，应重做实验；
应爱护仪器设备及实验室其他公物、注意安全，未经允许不得随便打开或关闭实验室的电路开关及做与所做实验无关的事情。如有损坏应立即报告指导教师，并按学校有关规定处理。在整个实验过程中，均须保持实验场所整洁安静，做到文明实验。
总之，应以严肃的态度、严格的要求、严密的方法及一丝不苟的操作来对待实验，只有这样，才能圆满完成实验技能的训练任务。
三 实验报告要求
实验报告一般包括以下几项内容：
班级、姓名、同组人及实验日期；
实验名称、实验目的、实验原理、实验装置简图及仪器设备简介；
实验现象的描述、原始数据记录、实验数据的处理及实验结果；
在实验报告最后部分应对实验结果进行分析与评价，并回答有关思考题；
实验结果的表示：在实验中除根据实测数据整理并计算结果外，有时还要采用曲线图来表示实验的结果。曲线均应画在坐标纸上，图中应标明坐标轴所代表的物理量及坐标分度，实验点应当用形如“。”、“×”、“·”、“△”等标记表示。当描绘曲线时，不要用直线逐点连接成折线。简单方法是根据多数点所在的位置，内插描绘成光滑的曲线；
实验报告须每人独立完成一份，并按规定时间交给实验指导教师。
一、准稳态法测绝热材料的导热系热和比热实验
一、实验目的1、掌握使用热电偶测量温度及温差的方法；
2、认识和使用数字化仪表测量温度和温差；
2、快速测量绝热材料的导热系数和比热。
二、实验原理
本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题设计的。设平板厚度为（见图1），初始温度为t0，平板两面受恒定的热流密度q均匀加热。求任何瞬间平板厚度方向的温度分布。导热微分方程式，初始条件和第二类边界条件如下：
q
q
图1 第二类边界条件无限大平板导热的物理模型
解为：
(1)
式中： ?—时间；s
q—沿x方向从端面向平板加热的恒定热流密度；W/m2
—平板的导热系数；W/(m ?℃)
a—平板的导温系数；m2/s
；
傅里叶准则数；
—初始温度；℃
随着时间的延长，Fo数变大，式(1)中的级数和项变小。当Fo＞0.5时，级数和项变得很小可以忽略，式(1)变成：
(2)
由此可见，当Fo＞0.5后，平板各处的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：
平板加热面处为：
此两面的温差为：
(3)
如已知q、?，再测出，就可以由式(3)求出导热系数：
(4)
实际上，无限大平板是无法实现的，实际总是用有限尺寸的试件。一般认为，试件的延展方向尺寸为厚度的六倍以上，两侧散热对试件中心温度的影响可忽略不计，试件两断面中心处的温度等于无限大平板时两断面的温度差。
根据热平衡原理，在准稳态时有下列关系：
(5)
式中：A为试件的横截面积；c为比热容，?为密度；为准稳态时的温升速率。由上式可得：
(6)
用此式可求出试件比热，试验时以试件中心处为准。
三、实验装置
按上述理论模型设计的实验装置如图2，说明如下：
（1）试件：
试件尺寸为100mm×100mm×，共四块，尺寸完全相同，=10mm。每块上下面要平行，表面要平整。
（2）加热器：
采用高电阻康铜箔平面加热器，康铜箔厚度仅20m，加上保护箔的绝缘薄膜，总共只有70m。电阻值稳定，在0~100℃范围不变。加热器面积和试件的相同，是100mm×100mm的正方形。两个加热器的电阻值应尽量相同，相差应在0.1%以内。
（3）绝热层：
用导热系数比试件小得多的材料做绝热层，力求减少通过它的热量，使试件1、4与绝热层的接触面接近绝热。这样，可假定式(4)中的热量等于加热器发出热量的1/2。
实验时，将四个试件齐叠放在一起，分别在试件1和2及试件3和4之间放入加热器1和2，试件和加热器要对齐。热电偶的放置如图3。热电偶测温头要放在试件中心部位。放好绝热层后，适当加以压力以保持各试件之间接触良好。
试件1
试件1
2
热电偶1
热电偶2
3
4
加热器
加热器
mA
稳 压 器
绝热层
绝热层
图2 实验装置示意图
四、实验步骤
打开多路温度数采仪电源，在通道组态命令内检查通道1和4信号类型是否为T型热电偶，如果不是将其改为T型热电偶。
设置完通道信号类型后，切换至实时曲线以及数显画面，检查实时曲线以及数显采集是否正常。
打开加热器电源，同时启动秒表并记下开始加热时间（在实验过程中，电流值保持不变）。
将数采仪显示画面切换到数显画面，每隔一分钟记录通道1和4的实时温度，待温度1和4的差值基本稳定在固定值时关闭加热器电源。
实验结束后，取下试件及加热器，试件不能连续做实验，必须经过四小时以上的放置，待与室温平衡后才能做下一次实验。
实验全部结束必需断开电源，一切恢复原状。
五、分析与思考：
讨论稳态、准稳态、非稳态传热过程的差异？
本方法能否测量金属材料的导热系数，为什么？
六、实验数据记录
加热器电流I [A] 两加热器电阻的平均值R []
试件截面尺寸A [m2] 试件厚度
试件材料密度=1180 热流密度q [W/m2]
导热系数经验值约0.18~0.2 W/m.K
二、不透明材料高温发射率测量实验
一、实验目的1、了解红外光谱仪测试测量光谱发射率测量原理及方法；
2、掌握利用红外测温仪测量材料发射率测量原理及方法；
二、实验原理
发射率是表征材料表面辐射本领的物理量，是一项极其重要的热物性参数。其定义为同等温度下材料表面辐射能与黑体辐射能的比值。根据波长范围、发射率可分为全发射率、光谱发射率和波段发射率；根据测量方向，可分为半球发射率和方向发射率。不同的发射率定义有不同的应用场合。研究辐射传热问题时，采用半球全发射率，一般用量热法测量。在红外成像测温、热红外伪装设计等应用中，采用的是红外波段（亦即测温仪工作波段）的波段发射率。
波段发射率的测量主要有两种方法：
(1)采用红外光谱仪测试光谱发射率，再求出波段发射率；
(2)采用测温仪测量波段发射率。而红外光谱仪比较昂贵，采用测温仪测量波段发射率有利于提高仪器利用率，节约研究成本。
红外测温仪的测量原理是靠接收被测表面发射的辐射来确定其温度，辐射测量温度和真实温度之间的能量关系式如下所示：
式中：为红外测温仪测得的温度，单位K；
为所测量试件的实际外表面温度，由达到稳态时试件内表面温度计算得到，单位K；
为环境温度，单位K；
为所测试件的实际发射率；
为红外测温仪设定的发射率；
为指数；测温仪工作波段8 μm～14 μm 时取4。
若已知表面的发射率，则可由上式求出较准确的表面温度。而反过来，如果已知较准确的表面温度，而不知道其发射率，则可以通过红外测温仪求出其发射率。从上式可推出测温仪测量目标发射率计算公式如下：
本实验采用热电偶测量试件外表面的较准确的温度，同时用红外测温仪测量测量试件外表面温度。
三、实验系统
图1 实验系统示意图
1.试件加热炉；2.红外测温仪
实验系统结构示意图如图1所示。该实验系统包括红外测温仪，试件加热炉，热电偶。试件加热炉采用电加热原理且带有反馈控制系统能够自动保持恒温，用来将试件加热至实验温度。热电偶用于测量试件外表面较准确的温度。红外测温仪用来测定试件的红外温度，测温仪可以设定三档不同的目标发射率预计值，LO、MED、HI分别对应发射率预计值为0.3、0.7、0.95。通过上文的公式可以计算得到表面的发射率。
四、实验操作规程
（1）、将试样置于加热炉中正确位置，固定好。
（2）、打开加热炉电源开关，设置好所需测量实验温度，启动加热炉，开始加热试件。
（3）、用热电偶测量试件表面温度随时间的变化，并将其记录在表1中，直至达到稳态。
（4）、打开红外测温仪，设置好实验参数，使用红外测温仪测量试件外表面温度并记录，注意红外测温仪入瞳口中心与试件外表面中心之间的距离（为红外测温仪参数，表示测量距离与测量光斑之比，为试件可视直径，本实验中，）。
（5）、关闭加热炉及热电偶的电源，整理好实验设备。
五、数据处理
1、炉膛实际温度与试件表面实际温度稳定后，用红外测温仪对试件表面温度进行测量，将红外测温仪测得的试件外表面温度和达到稳态后的试件内表面温度记录到如下表中，并计算出试件的发射率。
不透明材料高温发射率测量实验数据记录表
加热炉设定温度（℃）
试件外表面实际温度（K）
红外测温仪设定发射率
红外测温仪测量温度（K）
环境温度（K）
试件发射率
六、分析与思考
分析讨论发射率测量实验中误差的可能来源。
三、气流横掠单管表面对流换热实验
一、实验目的 1、了解对流放热的实验研究方法；
2、学习测量风速、温度及热量的基本技能；
3、测定空气横掠单管表面的平均表面传热系数，并将实验数据整理成准则方程式。
二、实验原理
根据牛顿公式，壁面平均表面传热系数h，可由下式计算：
W/(m2·℃) (1)
式中：：单位时间对流放热量，W；
A：试验管有效传热面积，m2；
：试验管壁面平均温度，℃；
：试验管前后流体平均温度，℃。
根据相似理论，流体受迫外掠物体的表面传热系数h与流速w、物体几何尺寸及流体的物性等因素有关，可整理成下述准则方程式：
(2)
由于本实验中，流体为空气，Pr =常数，故式（2）可简化为：
(3)
式中：Nu：努塞尔准则，Nu=；
Re：雷诺准则，Re=；
d ：实验管外径，m；
w ：实验段来流速度，m/s；
：流体导热系数，W/(m·℃)；
：流体运动粘度，m2/s；
准则中的定性温度。
本实验的任务是测定Nu和Re准则中所包含的各量，如t、w、d、?、，用式(1)求出h后再计算各准则，然后通过数据处理，求得c与n值，从而建立准则方程式(3)。
三、实验设备
本对流放热实验在风洞中进行。实验风洞主要由有机玻璃风洞本体构架、风机、实验管、电加热器及热工仪表组成，见图1。
图1.单圆管表面横向强迫对流放热实验装置示意图
1.整流进风口 2.整流段 3.tf1测温段 4.测试段 5.试件（加热圆管） 6.过渡段tfa测温段 7.毕托管测速段 8.风机 9.支架 10.仪表箱
实验装置主要由一简单的风洞和圆管加热器组成。风洞是用有机玻璃制成的方形流道[尺寸为a×b(mm)]。为了避免涡流的影响，风道内表面保持光滑。当风机启动后，室内空气经过吸入口2被吸入风洞内。吸入口做成双扭线形以保证进出口气流平稳并减少损失，并且使进口处气流速度分布均匀。在吸入口后连接入口段和工作段。在工作段中有被研究的圆管（同时也是加热器）、加热前流体的测温热电偶、加热后流体的测温热电偶。在工作段之后有一支测量流速的毕托管、引风机。为减少风机振动对风洞内的速度场的影响，工作段之后的风道用软胶管与风机相接。风洞内毕托管与差压变送器相连接后可用来测量流速。工作段前后的空气温度，即tf1、tfa，用热电偶来测量。加热器结构示意图见图2。
图2 加热器简图
1.电源线 2.保护盖 3.压紧螺母 4.风洞侧板 5.绝缘板 6.铜管 7.填料 8.热电偶 9.加热器
加热器用铜管做成，管内有电加热电阻，用交流电加热。电热器所消耗的功率即是圆管表面所放出的热量。圆管表面温度tw用焊在管壁上的三对热电偶测量。电路及测量系统如图三所示：
图3 电路及测量系统示意图
1.功率调节装置 2.试件 3.加热器 4.测气体温度传感器 5.测管子表面度T型热电偶（4点） 6.加热管剖面 7.差压传感器 8.毕托管 9.液晶显示巡检仪 10.电压表 11.电流表
四、实验步骤
在熟悉实验装置后可把线路接好，调整好测量仪表，经教师检查许可后方可开始实验，实验步骤如下：
1、接通总电源；
2、先向左旋转风量调节旋钮，再合上风机马达的电源。逐渐向右旋转风量调节旋钮，调大风量，根据需要调节风量。
3、打开电加热器开关，调节加热电压至某一定值持续加热。
4、加热并观察各测点的温度直到稳定为止，（温度在3分钟内保持读数基本不变可认为达到稳定）然后记录各热电偶的温度读数及压差读数。
5、保持加热器功率不变，调节风量来改变工况，重复步骤4，总共测量3个工况。
6、实验中应注意以下几点：
（1）数字化智能仪表通常具有较多的功能和按键，在不确定其功能时，不得随便调整，以免改变设备参数从而影响实验台的功能；
（2）必须待风机启动后再合上加热器电源而实验结束时应先停止加热再停风机。
（3）实验完毕应关闭总电源，经教师检查同意后方可离去。
五、实验数据记录与整理
管子直径：； 管子长度：； 实验段截面积；
测速段截面积；毕托管修正系数
所用热电偶种类：T型 （铜-康铜）
实验数据记录时必须采用稳定状态下的数据。
1、平均放热系数的计算：
[w/m2·℃] (4)
式中： Q——电加热器所消耗的功率（W）Q=IU；
U——加热器中的电压降，（V）；
I——加热器中的电流强度，（A）；
d及——圆管的直径及长度，(m)；
QR——辐射放热量，按式（6）计算；
tw——管壁的平均温度（用每一对热电偶所对应温度的平均值）℃；
tf——流体的平均温度℃ 。
2、来流速度的计算：
测量计算测速段速度，毕托管所在处流体流速度，通过差压变送器测量出其动压头然后用下式进行计算出的。
[m/s] (5)
式中：Δp——毕托管所在处风洞截面上测点动压头，单位Pa。
应将测速段速度换算成为实验段来流的度，根据连续性方程：
式中：wcp——毕托管所在截面之平均流速[m/s]；
w——实验段来流速度[m/s]；
,——分别为毕托管所在截面及加热圆管所在最窄通风截面处的面积[m2]。
3、辐射散热量的计算：
(6)
：试验管表面黑度，见设备规范表；
：黑体辐射系数，=5.67 [W/（m2?K4）]；
A ：试验管表面积 [m2]；
Tw：试验管壁面平均温度 [K]；
Tf ：空气进出口平均温度 [K]。
4、准则方程式的建立：
根据所求得的实验数据，即可求得Re数及相对的Nu数。对式（3）取对数可得：
(7)
可见，将各点的lgNu和lgRe值点在双对数座标图上，可得一条直线。n值可根据这条直线的斜率求得。根据直线上任一点的lgNu和lgRe数值求得c值，即；
c= (8)
也可以利用最小二乘法直接回归准则方程式。
六、分析与思考
1、分析讨论影响表面传热系数的因素。
2、为什么要求在实验管壁面温度稳定时记录数据？
3、简述实验的收获和体会。