熱工基礎(chǔ)課程設(shè)計指導(dǎo)書

《熱工基礎(chǔ)》課程設(shè)計指導(dǎo)書

無機(jī)非金屬材料工程201*（1）

一、課程設(shè)計的性質(zhì)、目的

熱工基礎(chǔ)課程設(shè)計是在學(xué)生學(xué)完《無機(jī)材料熱工基礎(chǔ)》課程后，進(jìn)行的一次實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是對學(xué)生在校期間進(jìn)行的一次較全面的工程師能力訓(xùn)練。課程設(shè)計的目的是將本門課所學(xué)知識運(yùn)用到實際生產(chǎn)工藝過程中，將理論知識與生產(chǎn)工藝結(jié)合起來，為畢業(yè)設(shè)計和將來走上工作崗位打下良好的基礎(chǔ)。課程設(shè)計結(jié)束后學(xué)生要能夠分析水泥工業(yè)以及陶瓷工業(yè)中的熱平衡，并會計算熱平衡。

二、課程設(shè)計基本要求

1．課程設(shè)計選題

硅酸鹽工業(yè)中的熱平衡計算大同小異，計算的過程基本相同，由于本課程設(shè)計的時間比較短，僅為一周，因此選擇硅酸鹽工業(yè)生產(chǎn)過程的熱平衡計算作為課程設(shè)計的題目，熱平衡計算涉及燃燒、傳熱、干燥以及流體力學(xué)的知識，能很好的把理論知識與工藝過程結(jié)合起來。2．課程設(shè)計調(diào)研

課程涉及之前，要求結(jié)合專業(yè)實踐，了解并熟悉硅酸鹽生產(chǎn)的工藝過程。硅酸鹽的生產(chǎn)過程：（1）水泥生產(chǎn)的工藝過程：原料制備→預(yù)熱→入回轉(zhuǎn)窯燒成;(2)陶瓷生產(chǎn)的工藝過程：原料制備→成型→干燥→燒成（隧道窯）。窯爐是工業(yè)生產(chǎn)重要的熱工設(shè)備，對它進(jìn)行熱平衡計算是工藝生產(chǎn)的基本計算。3．課程設(shè)計的方案制定

本次設(shè)計選擇硅酸鹽生產(chǎn)過程的一部分作為熱平衡計算的對象，要求針對選擇的窯爐或干燥設(shè)備部位進(jìn)行熱平衡分析，確定其熱收入項和熱支出項，進(jìn)行熱平衡計算，編制熱平衡表，分析熱量的來源與去向。

三、課程設(shè)計報告書

1．內(nèi)容

（1）設(shè)計方案簡介對給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的型式進(jìn)行簡要的論述。（2）熱平衡分析：包括熱收入項與熱支出項，每一項的具體計算參看《硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)》；

（3）燃料燃燒計算：包括空氣量的計算，廢氣量及廢氣組成的計算；（4）編制熱平衡表分析熱量的分配；（5）工藝流程簡圖：以單線圖的形式繪制，標(biāo)出主體設(shè)備和輔助設(shè)備的物料流向、物料量以及熱流量。

（6）主體設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖，并標(biāo)出主要尺寸。2.格式

完整的課程設(shè)計報告由說明書和圖紙兩部分組成。設(shè)計說明書中應(yīng)包括所有論述、原始數(shù)據(jù)、計算、表格等，編排順序如下：（1）標(biāo)題頁；（2）設(shè)計任務(wù)書；（3）目錄；（4）主要內(nèi)容

①前言：確定分析計算的對象，闡述熱平衡分析的意義，簡述設(shè)計方案：工藝流程草

圖及說明；

②熱平衡分析計算的原始數(shù)據(jù)匯總表；；③單項計算：物料平衡與熱量平衡各項；④設(shè)計結(jié)果概要或設(shè)計一覽表；⑤對計算書的幾點說明；

⑥對本設(shè)計的評述：熱平衡的綜合分析與改進(jìn)技術(shù)措施的意見；⑦附圖（工藝流程簡圖、主體設(shè)備工藝條件圖）：用手工繪圖；⑧參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)著錄格式：

（1）專著：

指以單行本或多卷冊形式在限定期限內(nèi)出版的非連續(xù)出版物，包括圖書、古籍、學(xué)位論文、技術(shù)報告、會議文集、匯編、多卷書、叢書等。其著錄格式為：

[序號]主要責(zé)任者.題名：其他題名信息[文獻(xiàn)類型標(biāo)志（電子文獻(xiàn)必備，其他文獻(xiàn)任選）].其他責(zé)任者（任選）.版本項.出版地：出版社，出版年：引文頁碼[引用日期（聯(lián)機(jī)文獻(xiàn)必備，其他電子文獻(xiàn)任選）].獲取和訪問路徑(聯(lián)機(jī)文獻(xiàn)必備).（后面幾種文獻(xiàn)著錄格式中，圓括號中的說明與此相同）[1]趙耀東.新時代的工業(yè)工程師[M/OL].臺北:天下文化出版社,1998[1998-09-26].注意:作者項不標(biāo)明編著方式,多個作者之間用“,”表示；

題名項若要標(biāo)明卷冊，表示法為：“鄧小平文選：第3卷[M]”；

地址項出版地是指出版單位所在城市；

（2）專著中的析出文獻(xiàn)：若引用某人著作，而此著作又在一個論文集或選集之中，此時參考文獻(xiàn)屬析出文獻(xiàn)類。專著中的析出文獻(xiàn)應(yīng)標(biāo)明起止頁碼。標(biāo)識方法如下：[序號]析出文獻(xiàn)主要責(zé)任者.析出文獻(xiàn)題名[文獻(xiàn)類型標(biāo)志].析出其他責(zé)任者//專著主要責(zé)任者.專著題名.出版地：出版社，出版年：析出頁碼[引用日期].獲取和訪問路徑.[2]白書農(nóng).植物開花研究[M]//李承森.植物科學(xué)進(jìn)展.北京：高等教育出版社，1998：146－163.

（3）連續(xù)出版物（期刊、報紙）中的析出文獻(xiàn)：

[序號]析出文獻(xiàn)主要責(zé)任者.析出文獻(xiàn)題名[文獻(xiàn)類型標(biāo)志].連續(xù)出版物題名：其他題名信息，年，卷（期）：頁碼[引用日期].獲取和訪問路徑.[3]張旭，張通和，易鐘珍，等.采用磁過濾MEVVA源制備類金剛石膜的研究[J].北京師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，201*，38（4）：478－481.[4]傅剛.大風(fēng)沙過后的思考[N/OL].北京青年報，201*－04－12（14）[201*-03-06].%5ED0412B1401.htm.（4）專利文獻(xiàn)：

[序號]專利申請者或所有者.專利題名：專利國別，專利號[文獻(xiàn)類型標(biāo)志].公告日期或公開日期[引用日期].獲取和訪問路徑.

[5]西安電子科技大學(xué).光折變自適應(yīng)光外差探測方法：中國，01128777.2[P/OL].201*-03-06[201*-05-28].

-yx-new.asp?recid=01128777.2&leixin=0.（5）電子文獻(xiàn)：

凡屬電子圖書和電子圖書、電子報刊等中的析出文獻(xiàn)的著錄格式分別參照（1）－（4）中的有關(guān)規(guī)則處理。除此而外的電子文獻(xiàn)的著錄格式如下：

[序號]主要責(zé)任者.題名：其他題名信息[文獻(xiàn)類型標(biāo)志/文獻(xiàn)載體標(biāo)志].出版地：出版社，出版年（更新或修改日期）[引用日期].獲取和訪問路徑.

[6]蕭鈺.出版業(yè)信息化邁入快車道[EB/OL].(201*-12-19)[201*-04-15].

四、學(xué)生分組情況

總?cè)藬?shù)45人，共分九組，每組5人，名單如下：第一組組長：王和

成員：馮曉光，康輝，傅林炳，王權(quán)豐

第二組

組長：李根

成員：楊志宜，劉超，陳超，程天相第三組

組長：李銳

成員：鄒慶，陳吉祥，汪洋，鄧成杰

第四組

組長：涂奔

成員：張兵，李文龍，龔璽，何琪

第五組

組長：張鑫

成員：尤峰，皮健，華建朝，吳亮第六組

組長：童維祥

成員：楊開，董賽，童凱，梅文第七組

組長：徐紅運(yùn)

成員：汪瓊，汪聰，朱凱棣，楊劍

第八組

組長：劉成龍成員：涂曉峰，王凡，高光斌，魯為

第九組組長：陳英

成員：柳康，彭帥，賀凱文，姚亞平

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熱工基礎(chǔ)實驗指導(dǎo)書

Instructor

ThermodynamicsandHeattransferBasicExperiment

(BelongtoPyrologyStaffRoom)

HefeiUniversityofTechnology

201*.1

（工程熱力學(xué)實驗）實驗一氣體定壓比熱容測定實驗

一、實驗?zāi)康?/p>

1、增強(qiáng)熱物性實驗研究方面的感性認(rèn)識，促進(jìn)理論聯(lián)系實際，了解氣體比熱容測定的基本原理和構(gòu)思。

2、學(xué)習(xí)本實驗中所涉及的各種參數(shù)的測量方法，掌握由實驗數(shù)據(jù)計算出比熱容數(shù)值和比熱容關(guān)系式的方法。

3、學(xué)會實驗中所用各種儀表的正確使用方法。二、實驗原理

由工程熱力學(xué)所知，氣體定壓比熱容的定義式為：

C0(h)p（1）T在沒有對外界作功的氣體定壓流動過程中，dhdQpM，此時氣體的定壓比熱容可表示為：

Cp1Q()p（2）MT當(dāng)氣體在此定壓過程中由溫度t1被加熱至t2時，氣體在此溫度范圍內(nèi)的平均定壓比熱容可由下式確定：

Ct2pmt1QpM(t2t1)（kJ/kg℃）（3）

式中：M——?dú)怏w的質(zhì)量流量，kg/s；

Qp——?dú)怏w在定壓流動過程中吸收的熱量，kJ/s。

大氣是含有水蒸汽的濕空氣，當(dāng)濕空氣由溫度t1被加熱至t2時，其中的水蒸汽也要吸收熱量，這部分熱量要根據(jù)濕空氣的相對濕度來確定。如果計算干空氣的比熱容，必須從加熱給濕空氣的熱量中扣除這部分熱量，剩余的才是干空氣的吸熱量。

在距室溫不遠(yuǎn)的溫度范圍內(nèi)，空氣的定壓比熱容與溫度的關(guān)系可近似認(rèn)為是線性的，即可近似的表示為：

Cp=A+Bt（4）

由t1加熱到t2的平均定壓比熱容則為：

Ct2pmt121ttABtdtAB12ABtm（5）

t2t12這說明，此時氣體的平均比熱容等于平均溫度tm=(t1+t2)/2時的定壓比熱容，因此，可

以對某一氣體在n個不同的平均溫度tmi下測出其定壓比熱容Cpmi，然后根據(jù)最小二乘法原理。確定A、B：tAmi2CpmitmiCpmitmi(tmi)nt2mi22ntmi2mi（6）

tCB(t)mimintmiCpmi（7）

從而便可得到比熱容的實驗關(guān)系式。三、實驗設(shè)備

1、空氣（或其它氣體）由風(fēng)機(jī)經(jīng)流量計送入比熱容儀本體，經(jīng)加熱、均流、旋流、混流、測溫后流出。氣體流量由節(jié)流閥控制，氣體出口溫度由輸入電加熱器的電壓調(diào)節(jié)。

2、該比熱容儀可測量300℃以下氣體的定壓比熱容四、實驗步驟

1、按圖1所示接好電源線和測量儀表。經(jīng)指導(dǎo)教師認(rèn)可后接通電源，將選擇所需的出口溫度計插入混流網(wǎng)的凹槽中。

2、小心取下流量計上的溫度計。開動風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)流閥，使流量保持在預(yù)定值附近，測出流量計出口處的干球溫度ta和濕球溫度tw。

3、將溫度計入回原位，調(diào)節(jié)流量，使它保持在預(yù)定值附近。調(diào)節(jié)電壓，開始加熱（加熱功率的大小取決于氣體流量和氣流進(jìn)出口溫度差，可依據(jù)關(guān)系式Q=12Δt/τ進(jìn)行估算，式中Q為加熱功率，W；Δt為比熱容儀本體進(jìn)出口溫度差，℃；τ為每流過10升空氣所需要的時間，S）。

4、待出口溫度穩(wěn)定后（出口溫度在10分鐘內(nèi)無變化或有微小變化，即可視為穩(wěn)定），即可采集實驗數(shù)據(jù)，需采集的數(shù)據(jù)有：

（1）每10升氣體通過流量計時所需的時間τ（S）；（2）比熱容儀進(jìn)口溫度t1與出口溫度t2（℃）；

（3）當(dāng)時大氣壓力B（mmHg）和流量計出口處的表壓力Δh（mmH2O）；（4）電加熱器的電壓U（V）和電流I（A）。

5、改變電壓，使出口溫度改變并達(dá)到新的預(yù)定值，重復(fù)步驟4，在允許的時間內(nèi)可多做幾次實驗。將上述實驗數(shù)據(jù)填入所列的原始數(shù)據(jù)表中。五、計算公式

1、根據(jù)流量計出口處空氣的干球溫度ta和濕球溫度tw，在干濕球溫度計上讀出空氣的相對濕度Ф，再從濕空氣的焓濕圖上查出濕空氣的含濕量d（g水蒸汽/kg干空氣），計算出水蒸汽的容積成分rw

rwd/622

1d/6222、電加熱器消耗的功率可由電壓和電流的乘積計算。3、干空氣流量為：

MRPRVRgTakg/s

(1rw)(Bh/13.6)133.320.01/287(ta273.15)4.645103(1rw)(Bh/13.6)(ta273.15)4、水蒸汽流量為：

MwPwVRwTakg/s

(1rw)(Bh/13.6)133.320.01/461.5(ta273.15)2.889103(Bh/13.6)(ta273.15)5、水蒸汽吸熱量為：

QwMw(1.8440.0004886t)dt1222kJ/s21

Mw[1.884(t2t1)0.0002443(tt)]6、干空氣吸熱量為：

QpQQw

六、實驗報告要求

1、簡述實驗原理，簡介實驗裝置和測量系統(tǒng)并畫出簡圖。2、報告中要有實驗原始數(shù)據(jù)記錄表，計算過程及計算結(jié)果。

3、將實驗結(jié)果表示在Cpm——tm的坐標(biāo)圖上，用（6）和（7）式確定A、B，確定平均定壓比熱容與平均溫度的關(guān)系式（5）和定壓比熱容與溫度的關(guān)系式（4）。

4、對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和討論。七、注意事項

1、切勿在無氣流通過的情況下使加熱器投入工作，以免引起局部過熱而損壞比熱容儀本體。

2、輸入加熱器的電壓不得超過220伏，氣體出口最高溫度不得超過300℃。

3、加熱和冷卻要緩慢進(jìn)行，防止比熱容儀本體和溫度計因溫度聚升或聚降而損壞。4、停止實驗時，應(yīng)先切斷電加熱器，讓風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作十五分鐘左右。實驗二空氣絕熱指數(shù)的測定

一、實驗?zāi)康?/p>

1、學(xué)習(xí)測量空氣絕熱指數(shù)的方法。

2、通過實驗，培養(yǎng)運(yùn)用熱力學(xué)基本理論處理實際問題的能力。3、通過實驗，進(jìn)一步加深對剛性容器充氣、放氣現(xiàn)象的認(rèn)識。二、實驗原理

在熱力學(xué)中，氣體的定壓比熱容Cp和定容比熱壓Cv，之比被定義為該氣體的絕熱指數(shù)，并以k表示，即k=Cp/Cv。

本實驗利用定量氣體在絕熱膨脹過程和定容加熱過程中的變化規(guī)律來測定空氣絕熱指數(shù)k。該實驗過程的P-v圖，如圖1所示。圖中AB為絕熱膨脹過程，BC為定容加熱過程。因為AB為絕熱過程，所以:

ACB

KPAVAPBVVK（1）

BC為定容過程，所以VB=VC。

假設(shè)狀態(tài)A與C所處的溫度相同，對于狀態(tài)A、C可得：

PAVA=PCVC（2）將（2）式兩邊k次方得：

（PAVA）k=（PCVC）k（3）比較（1）、（3）兩式，可得：

PAKPCKPAPBPAP(A)kPBPC將上式兩邊取對數(shù)，可得：

kIn(PA/PB)（4）

In(PA/PC)因此，只要測出A、B、C三個狀態(tài)下的壓力PA、PB、PC，且將其代入（4）式，即可求得空氣的絕熱指數(shù)k。三、實驗設(shè)備

本實驗的實驗設(shè)備如圖2所示。

實驗時，通過充氣閥對剛性容器進(jìn)行充氣，至狀態(tài)A，由U形管差壓測得狀態(tài)A的表壓hA(mmH2O)，如圖3狀態(tài)A，我們選取容器內(nèi)一分氣體作為研究對象，其體積為VA，壓力為PA，溫度為TA，假設(shè)通過排氣閥放氣，使其壓力與大氣壓被力相平衡，恰好此時的氣體膨脹至整個容器（體積為VB），立即關(guān)閉排氣閥，膨脹過程結(jié)束。因為PB=Pa（大氣壓力），由于此過程進(jìn)行得十分迅速，可忽略過程的熱交換，因此可認(rèn)為此過程為定量氣體的絕熱膨脹過程，即由狀態(tài)A（PA、VA、TA）絕熱膨脹至狀態(tài)B（PB、VB、TB），處于狀態(tài)B的氣體，由于其溫度低于環(huán)境溫度，則剛性容器內(nèi)的氣體通過容器壁與環(huán)境交換熱量，當(dāng)容器內(nèi)的氣體溫度與環(huán)境溫度相等時，系統(tǒng)處于新的平衡狀態(tài)C（PC、VC、TC）。若忽視剛性容器的體積變化，此過程可認(rèn)為是定容加熱過程，此時容器內(nèi)氣體的壓力可由U形差壓計測得hc(mmH2O)。至此，被選為研究對象的氣體，從A經(jīng)過絕熱膨脹過程至B，又經(jīng)過定容加熱過程至C，且狀態(tài)A、C所處的溫度同為環(huán)境溫度，實現(xiàn)了圖1中所示的過程。

研究對象絕熱膨脹定容加熱PCVCTCPBVBTBPAVATA狀態(tài)A狀態(tài)B狀態(tài)C

四、實驗步驟

1、實驗前，認(rèn)真閱讀實驗指導(dǎo)書，了解實驗原理。

2、進(jìn)入實驗室后，參考實驗指導(dǎo)書，對照實物熟悉實驗設(shè)備。

3、實驗中，由于對裝置的氣密性要求較高，因此實驗開始時，首先應(yīng)檢查裝置的氣密性。方法是：通過充氣閥對剛性容器充氣至狀態(tài)A，使hA=200(mmH2O)左右，過幾分鐘后觀察水柱的變化，若不變化，說明氣密性滿足要求，若有變化，則說明漏氣。此步驟一定要認(rèn)真，否則將給實驗結(jié)果帶來較大的誤差，同時讀出hA的值。4、右手轉(zhuǎn)動排氣閥，在氣流流出的聲音“拍”消失的同時關(guān)上排氣閥（此時，恰到好處，實驗操作者在實驗正式開始前要多練習(xí)幾次）。

5、等U型管差壓計的讀數(shù)穩(wěn)定后，讀出hc（大約需5分鐘左右的時間）。

6、重復(fù)上述步驟，多做幾遍，將實驗中采集的數(shù)據(jù)填在實驗數(shù)據(jù)表格中，并求k值。五、計算公式

如果將前述的（4）式直接用于實驗計算的話，那是比較麻煩的。因此，針對我們的實驗條件，現(xiàn)將（4）式進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕��?/p>33

設(shè)U型管差壓計的封液（水）的重度為r=9.81×10（N/m），實驗時大氣壓力則為Pa3

≈10（mmH2O）。因此，狀態(tài)A的壓力可表示為PA=Pa+hA，狀態(tài)B的壓力可表示為PB=pa，狀態(tài)C的壓力可表示為pc=pa+hc。將其代入（4）式得：

PahAhIn(1A)PaPa（5）kPahAhAhcInIn(1)PahcPahcIn實驗中由于剛性容器的限制，一般取hA≈200(mmH2O)，且hc實驗一粉末或散裝絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測定實驗

一、實驗?zāi)康?/p>

1、學(xué)習(xí)圓球法測定粉末或散裝材料導(dǎo)熱系數(shù)的實驗方法；

2、測定試驗材料(膨脹珍珠巖或空心微珠的粉末)在試驗溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)；3、熟悉熱電偶測溫、直流電位差計測熱電勢的原理和方法。二、實驗原理

實驗時將粉末或散裝試驗材料均勻地填滿在圓球?qū)�熱儀的大球和小球之間。小球內(nèi)芯裝有電加熱器，電加熱器放出的熱量傳給小球，然后通過試驗材料傳向大球，再由大球傳給空氣。實驗中可保證大、小球壁的溫度均勻一致，因此在經(jīng)過一段時間加熱后，自小球向大球的傳熱可視為球坐標(biāo)系（三個坐標(biāo)方向為：半徑r方向，球的經(jīng)度方向及球的緯度方向）中的沿半徑方向的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。導(dǎo)熱量可由傅立葉定律算出：

QAdtdt(11)4r2drdr移項后為

dtQdr4r2

從小球到大球積分（小球半徑為r1，直徑為d1，壁溫為tw1；大球半徑為r2，直徑為d2，壁溫為tw2）有Q2(tw1tw2)（12）

11d1d2式中：d1、d2單位為m

tw1、tw2單位為℃Q的單位為wλ的單位為w/m.℃

11)d1d2由上式得（13）

2(tw1tw2)Q(實驗中測出電加熱器的功率或測出電加熱器的電壓V（伏特）和電流1（安培）就可得到傳熱量Q；大、小球的壁面溫度tw1、tw2可由埋在大、小球壁面上的各三對銅-康銅熱電偶測出；大球直徑d2=160×10m，小球直徑d1=80×10m。測出這些數(shù)據(jù)后就可根據(jù)（1－3）式算出導(dǎo)熱系數(shù)值。

把d1、d2數(shù)值代入（1－3）式整理后可得λ的簡單算式：

0.9952Q（14）

tw1tw2-3

-3

三、實驗裝置實驗裝置由圓球?qū)�熱儀、試驗材料、電加熱器、熱電偶及冰瓶、多點切換開關(guān)、電位差計、功率表或電壓表與電流表、交流穩(wěn)壓電源、自偶變壓器、整流器等組成。

圓球?qū)�熱儀由大、小兩個空心的球壁組成，小球同心地裝在大球內(nèi)，試驗材料填滿在大小球壁之間。

大球內(nèi)壁和小球外壁上埋設(shè)的三對熱電偶的冷端接冰瓶，熱端和多點切換開關(guān)相連接，以便通過電位差計測出六個熱電勢（大球壁三個、小球壁三個），然后查熱電偶分度表得到大、小球壁面的平均溫度。

小球壁內(nèi)的電加熱器由交流穩(wěn)壓電源、自偶變壓器、整流器供電，功率由電壓表與電流表測出或由功率直接讀出。電加熱器的輸入功率大小可由自偶變壓器調(diào)節(jié)，以改變大、小球壁的溫度。四、實驗步驟

1、熟悉實驗裝置圖，并了解各部分的作用，然后接上測量儀表和全部線路，經(jīng)指導(dǎo)教師檢查后，接通電源，并調(diào)整電加熱器的輸入功率為指定值（該值由指導(dǎo)教師臨時告知）。

2、加熱若干時間后，當(dāng)內(nèi)、外壁溫度不再改變時（可由熱電偶的熱電勢不變示出）導(dǎo)熱儀中導(dǎo)熱已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，可以正式測量與記錄數(shù)據(jù)。

3、順序掀按琴鍵式切換開關(guān)，通過電位差計分別讀出六個熱電勢（小球為1、2、3，大球為4、5、6），在實驗報告上記錄下這六個熱電勢值，并記錄實驗中功率表讀數(shù)或電流與電壓表讀數(shù)。

4、切斷電源，結(jié)束實驗。實驗二空氣橫掠單管時平均對流換熱系數(shù)及準(zhǔn)則方程式測定實驗

一、實驗?zāi)康?/p>

1、學(xué)習(xí)測定空氣槽掠單管時平均換熱系數(shù)的方法；2、測定空氣槽掠單管時的準(zhǔn)則方程式；3、熟悉空氣流速及管壁溫度的測量方法。二、實驗原理

1、空氣槽掠單管的平均對流換熱系數(shù)α的測定根據(jù)牛頓冷卻公式:QA(twtf)

Q(4-1)

A(twtf)式中α——單管沿周平均對流換熱系數(shù)w/m2℃。

Q——單管與空氣間的對流換熱量，它等于裝在管子上的電加熱器的功率，單位為WA——單管的外表面積，m2；A＝πDL，D為管子外徑（單位為m，可選不同D的管子實驗），

L為加熱部分的管長，L=0.1m

tw,——管外壁溫度，℃

tf,——空氣溫度，℃

實驗中只要測出電加熱器功率及管外壁溫度tw及空氣溫度tf即可按（4－1）式算出空氣槽掠單管時的平均對流換熱系數(shù)α。

2、空氣橫掠單管時準(zhǔn)則方程式測定

根據(jù)傳熱學(xué)教科書，強(qiáng)迫對流換熱準(zhǔn)則方程的一般形式為

Nuf1(Re,Pr)(4-2)

對本實驗來講，流體為空氣，實驗中空氣溫度變化不大，因此（4－2）中的Pr可視為一個常數(shù)，這樣（4－2）式變?yōu)?/p>

Nuf2(Re)(4-3)

經(jīng)驗表明（4－3）式可以寫成指數(shù)形式，即

NuCRen(4-4)

實驗中只要測出常數(shù)C及指數(shù)n，就得到了空氣槽掠單管的準(zhǔn)則方程具體形式。C、n的測定方法是：對（4－4）式兩邊取對數(shù)，得

lnNulnCnlnRe(4-5)

（4－5）式在lnNu-lnRe的坐標(biāo)圖上是一條直線。該直線的斜率即為n值，截距即為lnC值，從而得以C、n值。具體做法是：

實驗中改變單管外徑D值或改變空氣流速u值，每改變一次得到一個雷諾數(shù)

uD，可算出一v為常數(shù)，同時得到一個α值（α按前述方法測定）Re空氣運(yùn)動黏度v個Nu值NuD，空氣導(dǎo)熱系數(shù)λ值實驗中為常數(shù)）。這樣每改變一次D值或v值，就得到一組（Re、Nu），把它描在lnNu－lnRe圖上就得到一個點，改變?nèi)舾纱尉驮趫D上得到若干點，連接這些點得到一條直線，然后求出這條直線的斜率和截距就得到n、C值。

C、n值的具體計算可有多種方法，本實驗要求用最小二乘方法確定。三、實驗裝置

空氣橫掠單管對流換熱實驗裝置

實驗時，在風(fēng)機(jī)的抽吸下，室內(nèi)空氣經(jīng)進(jìn)風(fēng)口（可調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口面積以改變空氣流速），風(fēng)機(jī)、風(fēng)箱、有機(jī)玻璃風(fēng)道流向室內(nèi)，單管試件就安裝在有機(jī)玻璃風(fēng)道內(nèi)，這樣就造成了空氣槽掠單管的流動。

試件為一薄壁不銹鋼圓管。試件上有電加熱器對試件低電壓大電流（直流）加熱，此熱量被橫掠試件的空氣帶走。加熱段ab長度為L=0.1m，試件外徑D對每組實驗來講是固定不變的，但空氣流速可以通過進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)截面大小來調(diào)節(jié)。試件的低壓大電流由奎直流電源供緞帶。加熱功率在不同風(fēng)速下是相同的。

為確定試件壁溫tw，在試件中埋有銅－康銅熱電偶的測量端（熱端），熱電偶的冷端就置于空氣流中。由空氣流的溫度（就等于室溫）可從熱電偶分度表中查得E(tf,0)值，而由電位差計可測得熱電勢E(tw,tf)值，E(tw,0)值按下式算出：

E(tw,0)E(tw,tf)E(tf,0)

最后根據(jù)E(tw,0)值查熱電偶分度表得到tw值。（因為試件很薄，僅0.2～0.3mm，且內(nèi)壁絕熱，故查出的溫度值就是單管外壁溫度tw）

橫掠單管的空氣流速由畢托管和傾斜傾壓計測出。

p1

L≈3d畢托靜壓管δd3（810）dpp02對畢托管的全壓孔1中駐點（圖中2點，參數(shù)用下角標(biāo)“0”表示）和靜壓孔（圖中3點）列伯努利方程（見圖4－2），有

2p0u0pu2Z0Z

g2gg2g由于z0=Z，u0=0，故有

p0ppu2p12u2（式中為空氣密度）

Δp由傾斜微壓計讀出。測量中讀出的是傾斜微壓計的傾斜管液柱長H（mm）。考慮到斜管的傾斜角以及將液柱密度（傾斜微壓計中液體是煤油）折合成水柱密度等因素，讀出的H值應(yīng)當(dāng)乘以斜壓計的倍率。本實驗中斜壓計倍率為0.2，故實際壓差高度為h=0.2H。

壓差（為水的密度）。這樣空氣流速計算式變?yōu)閡2gh/1000

取水的密度=1000kg/m3，則上式最后變?yōu)?/p>

2ghu(4-6)

式中h,為mmH2O.為空氣密度（由空氣溫度查表）

為了使一臺電位差計能測出試件工作電壓、工作電流及熱電偶熱電勢，實驗裝置中設(shè)置了轉(zhuǎn)換開關(guān)。四、實驗步驟

1、閱讀實驗指導(dǎo)書，熟悉本實驗的實驗裝置與測試儀表。

2、將單管試件安裝在風(fēng)道中（每實驗小組單管直徑不變，Re的改變通過改變進(jìn)風(fēng)口的流通面積大小實驗，實驗中進(jìn)風(fēng)口面積改變五次，也即可調(diào)五個空氣流速）。

3、啟動風(fēng)機(jī)（即接通電源），將風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口面積調(diào)節(jié)至適當(dāng)大小，待工況穩(wěn)定后進(jìn)行測量。

4、用電位差計（通過轉(zhuǎn)換開關(guān)）測出試件的電壓降（讀數(shù)為mV）。5、用電位差計（通過轉(zhuǎn)換開關(guān)）測出試件的工作電流（讀數(shù)為mV）。6、用電位差計（通過轉(zhuǎn)換開關(guān)）測出試件表面熱電偶的熱電勢單位7、讀出傾斜微壓計的斜管液面長度H（mm）。

8、調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)面積，調(diào)好后重復(fù)4－7的操作步驟。9、實驗結(jié)束，關(guān)閉電源。五、最小二乘方法求C、n

為書寫方便起見，令（4－5）式中l(wèi)nNuy,lnRex,lnCb,（4－5）式變?yōu)?/p>

ynXb(4-7)

實驗得到N組（Re、Nu）就有N組（y、x）。將每一組y、x記為yi,xi(i=1~N)

設(shè)每一次實驗得到的yi值與按ynxib算出的y值之差為i.(iyiy)

iyiyyinxib

i2(yinxib)Ni20,在

i1i2i1Nnb0時求出的n、b值可使誤差最小。

由上面二個偏導(dǎo)數(shù)等于零可得到

NNN2nXibXiXiYii1i1i1(4-8)NNnXiNbyii1i1N因此只要算出Xi2i1,Xi,XiYi,yi,四個值，并代入（4－8）式就可解出n、b

i1i1i1NNN值，然后由blnC求出C值，這樣就求出了準(zhǔn)則方程的具體形式。

說明：1）由于每個實驗小組只測出五組（Re、Nu）數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)的組數(shù)不夠，因此必需把本班另一實驗小組的五組數(shù)據(jù)取來，然后由最小二乘方法求出C、n值。

2）C、n值的參考數(shù)值為：

Re=4~40C=0.821n=0.385Re=40~4000C=0.615n=0.466Re=4000~40000C=0.174n=0.618Re=40000~250000C=0.0239n=0.805

實驗三微元表面dA1到有限表面A2的角系數(shù)測量實驗

一、實驗?zāi)康?/p>

1、加深對角系數(shù)物理意義的理解，學(xué)習(xí)圖解法求角系數(shù)的原理和方法；2、掌握角系數(shù)測量儀(即機(jī)械式積分儀)的原理和使用方法；

3、用角系數(shù)測量儀測定微元表面dA1(水平放置)到有限表面A2(A2為矩形、垂直放置)的角系數(shù)FdA1A2。

二、圖解法求角系數(shù)原理

角系數(shù)FdA1A2是dA1發(fā)射的輻射能落到A2上的能量的份額。設(shè)dA1為黑體，則dA1發(fā)射的輻射能為dQb=dA1Eb1（Eb1為dA1的輻射力）；若落到A2上的dQb,dA1A2,則有

FdA1A2dQb,dA1A2dA1Eb1（1）

根據(jù)定向輻射強(qiáng)度定義，dQb,dA1A2可表示為

dQb,dA1A2Ib1Cos1dA1d1(2)

式中：Ib1dA1的定向輻射強(qiáng)度，Ib1Eb1

d1A2上的微元面積dA2對dA1所張的立體角

dA1Cos1dA2上所看到的發(fā)射面積(可見發(fā)射面積)

1dA1與dA2的連線與dA1的法線間夾角

(2)式中有關(guān)符號的意義見圖1。

圖解法求角系數(shù)的具體方法是：以dA1為球心，作一個半徑為R的半球面(見圖1)，再從dA1中心向dA2的周線上各點引直線，這些直線與球面的交點形成的面積記為dAs，顯然

dAdAs對dA1所張的立體角也是d1，于是d1，可用球面上的dAs來計算，結(jié)果是d12s,R代入(2)式得

dQb,dA1A2Eb1Cos1dA1dASR2Eb1Cos1dA1dASR2（3）

圖1角系數(shù)FdA1-A2圖解原理

從dA1中心到A2的周線上各點作直線，這些直線在球面上截出的面積記為As，則有

Cos1dA1dASCos1dAsEdAdQb,dA1A2Eb1（4）b1122dsAsRR(4)式中Cos1dAs正好是球面上的面積dAs在水平面上投影面積dAsp，于是(4)式可改為

dQb,dA1A2Eb1dA1dAspAspR2Eb1dA1AspR2（5）

式中：Asp為球面上面積As在水平面上投影面積。把(5)式代入(1)式可得FdA1A2AspR2（6）

(6)式便是圖解法求角系數(shù)的原理式。根據(jù)(6)式，圖解法求角系數(shù)FdA1A2時，只要以dA1

為球心作一個半徑為R的半球面，再從dA1中心向A2周線上各點引直線，各直線在球面上截出的面積為As，最后將As投影到半球底面上得投影面積Asp，測量出Asp大小，就可按(6)式求出角系數(shù)FdA1A2。

上述推導(dǎo)中曾假定dA1為黑體，實際上在一定的假定條件下（6）式對灰體也成立。

三、角系數(shù)測量儀結(jié)構(gòu)和測角系數(shù)

FdA1A2的原理及方法

角系數(shù)測量儀是根據(jù)圖解法原理測微元表面到有限表面角系數(shù)的機(jī)械式積分儀。本實驗中用的是SM1型機(jī)械式積分儀，它的基本結(jié)構(gòu)見圖2。主要有立柱、滑桿、平行連桿、鏡筒、記錄筆、平衡塊、鏡筒上的瞄準(zhǔn)鏡、底座、方位角旋鈕、高變角旋鈕等組成。

圖2SM-1型角系數(shù)測量儀結(jié)構(gòu)圖

圖3為SM-1角系數(shù)測量儀示意圖。立桿1垂直于水平面MN于B點。立桿可繞其軸線旋轉(zhuǎn)，以帶動滑桿2旋轉(zhuǎn)�；瑮U2通過兩根長度皆為R的平行連桿a、b保持與MN垂直。連桿a即是測量儀的鏡筒，A點為假想的球心(dA1)�；瑮U2的下部為記錄筆3。當(dāng)鏡筒上的C點對準(zhǔn)A2周線掃瞄時，滑桿2可以旋轉(zhuǎn)和上、下移動(對A2的水平周線部分掃瞄時，滑桿轉(zhuǎn)動；對A2的垂直周線部分掃瞄時，滑桿上、下移動，這時山立桿、滑桿、連桿a、b組成的四邊形發(fā)塵變形，從而使記錄筆沿半徑方向移動。)

圖3SM-1角系數(shù)測量儀示意圖

測量時儀器放置見圖4。瞄準(zhǔn)鏡是dA1，A2為垂直放置的a×b的矩形面積。在測量儀底座下放一張大白紙(或方格紙)，手握平衡塊使鏡筒放到水平位置（即將連桿放到最低位置），然后手握平衡塊使立柱旋轉(zhuǎn)360，這時記錄筆在白紙上黑出一個半徑為R的圓。再手握平衡塊，通過瞄準(zhǔn)鏡瞄準(zhǔn)A2的周線掃瞄一周(瞄準(zhǔn)時瞄準(zhǔn)鏡圓孔中心、十字中心與A2周線上的點要連成一線)，這時記錄筆在白紙上畫出的面積就是Asp，測量出Asp和圓的面積，兩者之比就是角系數(shù)FdA1-A2(對A2周線掃瞄時，也可通過調(diào)整方位角和高度角進(jìn)行)。四、實驗步驟

1、將測量儀蓋板卸下，并水平地放在桌面上，放置時要把有定位銅圈的一面朝上。在蓋板上貼上白紙，注意在蓋板的定位銅圈處白紙要開一小孔以使定位銅圈露出。2、將測量儀放在蓋板上，這時要使測量儀底坐上的孔對準(zhǔn)蓋板上的定位銅圈。3、將儀器箱體靠蓋板垂直放置(注意蓋板上的箭頭與箱體上箭頭對準(zhǔn))。這時箱體上的a×b的矩形就是A2。

4、將鏡筒放到水平位置(即連桿放到最低位置)，鎖緊連桿，放下記錄筆，旋轉(zhuǎn)立桿(通過平衡塊來旋轉(zhuǎn))，使記錄筆在白紙上畫出半徑為R的圓。

5、將記錄筆抬起，放松鎖緊旋鈕，調(diào)整方位角和高低角，瞄準(zhǔn)A2的周線進(jìn)行掃瞄操作練習(xí)(掃瞄練習(xí)也可不通過調(diào)整方位角，高低角進(jìn)行，而是直接手握平衡塊進(jìn)行)，練習(xí)到描瞄動作熟練、準(zhǔn)確時方可正式測定。

6、放下記錄筆，細(xì)心地掃描A2的周線一圈，記錄筆這時在白紙上畫出的面積即是Asp。7、用求積儀測出Asp面積大小，并測量白紙上圓的半徑R的尺寸，然后按FdA1A2系數(shù)。注意，對同一個A2一般要測量若干次，以求得平均角系數(shù)。

8、測量A2的尺寸a、b及圖4中的尺寸C，按下列理論公式計算出角系數(shù)FdA1A2，并與測量的角系數(shù)值進(jìn)行比較。

AspR2FdA1A211(tg12yyxy22tg11xy22)

五、注意事項

1、鎖緊旋鈕通常應(yīng)處于放松狀態(tài)，當(dāng)鎖緊旋鈕處于鎖緊狀態(tài)時，不得改變儀器的高度角，否則將損壞齒輪。

2、每次描瞄結(jié)束時應(yīng)立即抬起記錄筆，以免弄臟記錄紙。

圖4實驗操作時儀器放置構(gòu)圖

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