PDF《沈阳农业大学自编教材》

沈阳农业大学自编教材 热工实验指导 陈东雨 主编 工程学院(部、中心)

2011 年1月目录实验一 气体定压比热测定

1 实验二 稳态平板法测定绝热材料导热系数.

6 实验三 非稳态(准稳态)法测材料的导热性能

16 实验四 中温辐射时物体黑度的测试.21 实验五 换热器综合实验

28 实验六 炉具热效率测定

35 实验七 积分球反射法测反射率

38 实验八 综合传热性能实验

42 实验九 饱和 P-t 实验.49

1 实验一 气体定压比热测定 气体定压比热的测定是工程热力学的基本实验之一. 实验中涉及温度、 压力、 热量 (电功) 、流量等基本量的测量;

计算中用到比热及混合气体(混空气)方面的知识.本实验 的目的是增加热物性研究方面的感性认识,促使理论联系实际,以利于培养同学分析问题 和解决问题的能力.

一、实验目的和要求 1. 了解气体比热测定装置的基本原理和构思. 2. 熟悉本实验中的测温、测压、测热、测流量的方法. 3. 掌握由基本数据计算出比热值和求得比热公式的方法. 4. 分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径.

二、实验装置和原理 装置由风机、流量计、比热仪主体、电功率调节及测量系统等四部分组成(如图

1 所示) . U 型压力计调节阀气体流量计冷空气比热仪热空气 功率调节及功率表图1实验装置 比热仪主体如图

2 所示. 实验时,被测空气(也可以是其它气体)由风机经湿式气体流量计送入比热仪主体, 经加热、均流、旋流、混流后流出.在此过程中,分别测定:空气在流量计出口处的干、 湿球温度(t0,tw 由于是湿式气体流量计,实际为饱和状态) ;

气体经比热仪主体的进出口 温度(t1,t2) ;

气体的体积流量(V) ;

电热器的输入功率(W) ;

以及实验时相应的大气

2 压(B)和流量计出口处的表压(Δh) .有了这些数据,并查用相应的物性参数,即可计 算出被测气体的定压比热(Cpm) . 气体的流量由节流阀控制,气体出口温度由输入电热器的功率来调节. 本比热仪可测 300℃以下的定压比热.

三、实验步骤 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 (t0) ;

3. 将温度计插回流量计,调节流量, 使它保持在额定值附近.逐渐提高电热器 功率,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: ? t W ? ?

12 式中:W-电热器输入电功率(瓦) ;

Δt-进出口温度差(℃) ;

τ-每流过

10 升空气所需的 时间(秒) .] 4. 待出口温度稳定后 (出口温度在

10 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10 升空气通过流量计所需时间(τ,秒) ;

比热仪进口温度――即流量计 的出口温度(t1,℃)和出口温度(t2℃) ;

当时相应的大气压力(B,毫米汞柱)和流量计 出口处的表压(Δh,毫米水柱) ;

电热器的输入功率(W,瓦) .

四、实验步骤 1. 根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度,从湿空气的干湿图查出含湿量(d,克/公 斤干空气),并根据下式计算出水蒸气的容积成分:

622 /

1 622 / d d rw + = 2. 根据电热器消耗的电功率,可算出电热器单位时间放出的热量:

3 10

1868 .

4 * = W Q ? 千卡/秒冷空气导线杜瓦瓶电热芯热空气均流网温度计图2比热仪主体

3 3. 干空气流量(质量流量)为: )

15 .

273 ( )

6 .

13 / )(

1 (

10 6447 .

4 )

15 .

273 (

27 .

29 1000 /

10 56 .

735 /

10 )

6 .

13 / )(

1 (

0 3

0 4

0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? t h B t t h B t T R V P G w w g g g ? ? ? ? 公斤/秒4. 水蒸气流量为: )

15 .

273 ( τ )

6 .

13 / Δ (

10 8889 .

2 )

15 .

273 (

06 .

47 τ

1000 /

10 56 .

735 /

10 )

6 .

13 / Δ (

0 3

0 4

0 + + * = + * * + = = t h B t t h B t T R V P G w w w w w ? ? 公斤/秒5. 水蒸气吸收的热量: )] (

00005835 .

0 ) ((

4404 .

0 [ )

0001167 .

0 1101 .

0 (

2 1

2 2

1 2 ∫

2 1 t t t t G dt t G Q t t w w w ? ? ? ? ? ? ? ? ? 千卡/秒6. 干空气的定压比热为: ) ( ) (

1 2

1 2

0 2

1 t t G Q Q t t G Q C g w g g t t m ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 千卡/(公斤・℃) 7. 计算举例 假定某一稳定工况的实测参数如下: t0=8℃;

tw=7.5℃;

B=748.0 毫米汞贡柱 t1=8℃;

t2=240.3℃;

τ=69.96 秒/10 升;

Δh=16 毫米汞柱;

W=41.84 千瓦 查干湿图得 d=6.3 克/公斤干空气(? =94%)

010027 .

0 622 /

3 .

6 1

622 /

3 .

6 = + = w r

3 3

10 9938 .

9 10

1868 .

4 84 .

41 * = * = Q ? 千卡/秒6310

14 .

175 )

15 .

273 8 (

96 .

69 )

6 .

13 /

16 748 )(

010027 .

0 1 (

10 6447 .

4 ? ? ? ? ? ? ? g G ? 公斤/秒6310

1033 .

1 )

15 .

273 8 (

96 .

69 )

6 .

13 /

16 748 (

010027 .

0 10

8889 .

2 * = + + * * = w G ? 公斤/秒432610

1166 .

0 )

8 3 .

240 (

00005835 .

0 )

8 3 .

240 (

4404 .

0 [

10 1033 .

1 ? ? ? ? ? ? w Q ? 千卡/秒2428 .

0 )

8 3 .

240 (

10 14 .

175 10

1166 .

0 10

9938 .

9 6

3 3

0 2

1 = * * * = t t m C 千卡/(公斤・℃) 8. 比热随温度的变化关系 假定在 0―300℃之间,空气的真实定压比热与温度之间近似地有线性关系,则由 t1 到t2 的平均比热为:

2 2

1 1

2 1

0 2

1 ( )

2 t t t m t a bt dt t t C a b t t ? ? ? ? ? ? ? 因此,若以

2 1

2 t t + 为横坐标,

2 1

0 t t m C 为纵坐标(如图 3) ,则可根据不同的温 度范围内的平均比热确定截距 a 和斜率 b,从而得出比热随温度变化的计算式. C0m

2 t1+t2

2 ℃ 大卡/公斤・℃ 图3

四、注意事项 1. 切勿在无气流通过的情况下使电热器投入工作,以免引起局部过热而损坏比热仪主 体. 2. 输入电热器的电压不得超过

220 伏.气体出口最高温度不得超过 150℃. 千卡/公斤・℃

5 3. 加热和冷却要缓慢进行,防止温度计和比热仪主体因温度骤增骤降而破裂. 4. 停止试验时,应切断电热器,让风机继续运行十五分钟左右(温度较低时可适当缩 短) .

6 实验二 稳态平板法测定绝热材料导热系数

一、实验目的 1.巩固和深化稳定导热过程的基本理论, 学习用平板法测定绝热材料导热系数的实验方 法和技能. 2.测定试验材料的导热系数. 3.确定试验材料导热系数与温度的关系.

二、实验原理 导热系数是表征材料导热能力的物理量.对于不同的材料,导热系数是不同的;

对同 一材料,导热系数还会随着温度、压力、湿度、物质的结构和重度等因素而变异.各种材 料的导热系数都用试验方法来测定,如果要分别考虑因素的影响,就需要针对各种因素加 以试验,往往不能只在一种试验设备上进行.稳态平板法是一种应用一维稳态导热过程的 基本原理来测定材料导热系数的方法,可以用来进行导热系数的测定试验,测定材料的导 热系数及其和温度的关系. 试验设备是根据在一维稳态情况下通过平板的导热量 Q 和平板两面的温差 t ? 成正 比,和平板的厚度δ成正比,以及和导热系数λ成正比的关系来设计的. 我们知道,通过薄壁平板(壁厚小于十分之一壁长和壁宽)的稳定导热 量为 F t Q ? ? ? ? ? ? [w] 测定时,如果将平板两面的温差 L R t t t ? ? ? 、平板厚度 δ 、垂直热流方向的导热面 积F和通过平板的热流量 Q 测定以后,就可以根据下式得出导热系数: F t Q ? ? ? ? ? ? ) /( C m W ° 需要指出, 上式所得的导热系数是在当时的平均温度下材料的导热系数值, 此平均温度为: ) (

2 1 L R t t t + = ] [ C °

7 在不同的温度和温差条件下测出相应的 λ 值,然后将 λ 值标在 t ? ? 坐标图内,就可以 得出 ) ( λ t f = 的关系曲线.

三、实验装置及测量仪表 稳态平板法测定绝热材料导热系数的试验装置如图

1 和图

2 所示. 被试验材料做成二块方形薄壁平板试件,面积为 300*300 ] [

2 mm ,实际导热计算面积 F 为200*200 ] [

2 mm ,板的厚度为 δ ] [

2 mm ,平板试件分别被夹紧在加热器的上下热面 和上下水套的冷面之间.加热器的上下面和水套与试件的接触面都设有铜板,以使温度均 匀.利用薄膜式加热片实现对上、下试件热面的加热,而上下导热面积水套的冷却面是通 过循环冷却水(或通过自来水)来实现的.在中间 200*200 ] [

2 mm 部位上安设的加热器 为主加热器.为了使主加热器的热量能够全部单向通过上下两个试件,并通过水套的冷水 带走,在主加热器四周(即200*200 ] [

2 mm 之外的四侧)设有四个辅助加热器(1~4) , 利用专用的温度跟踪控制器使主加热器以外的四周保持与中间主加热器的温度一致,以免 热流量向旁侧散失.主加热器的中心温度 t1(或t2)和水套冷面的中心温度 t3(或t4)用四个热 电偶(埋设在铜板上)来测量:辅助加热器

1 和辅助加热器

2 的热面也分别设置两个辅助 电偶 t5 和t6(埋设在铜板的相应位置上) ,其中一个辅助电偶 t5(或t6)接到温度跟踪控制器 上,与主加热器中心接来的主热电偶 t2(或t1)的温度讯号相比较,通过跟踪器使全部辅 助加热器都跟踪到与主加热器的温度相一致.而在试验进行时,可以通过热电偶 t1(或t2) 和热电偶 t3(或t4)测量出一个试件的两个表面的中心温度.也可以再测量一个辅助电偶的 温度,以便与主热电偶的温度相比较,从而了解主、辅加热器的控制和跟踪情况.温度是 利用电位差计和转换开关来测量的,主加热器的电功率可以用电功率表或电压表和电流表 来测量.

8 上水冷箱 下水冷箱 试件1 试件2 辅助加热器 主加热器 辅助加热器 上水冷箱 下水冷箱 辅助加热器2 辅助加热器3 辅助加热器4 主加热器 辅助加热器1 图2试验台的电路联结图 (用电位差计测温未示出) 图19[附]试验台主要参数 1.试验材料: 2.试件外型尺寸:300*300 ] [

2 mm 3.导热计算面积 F:200*200 ] [

2 mm (即主加热器的面积) 4.试件厚度δ: (实测) 5.主加热器电阻值:Ω 6.辅加热器(每个)电阻值:Ω 7.热电偶材料:镍铬―_铜 8.试件最高加热温度:≤80 C °

四、实验方法和步骤 1.将两个平板试件仔细地安装在加........