传热学实验报告

郑

州航院试验报告

学院: 机电工程学院

专业：材料成型及控制工程

姓名：

学号：

实验一稳态平板法测定绝热材料导热系数实验

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，导热系数是各不相同的，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实验方法来测定，如果要分别考虑不同因素的影响，就需要针对各种因素加以试验，往往不能只在一种实验设备上进行。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实验，测定材料的导热系数及其和温度的关系。

实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Δt成正比，和平板的厚度δ成反比，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(壁厚小于十分之一的壁长和壁宽)的稳定导热量为

Q = 〔w〕（1—1）

测试时，如果将平板两面温差Δt=t_R-t_L、平板厚度δ、垂直热流力向的导热面积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，

〔w/m℃〕（1—2）

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：

〔℃〕（1—3）

在不同的温度和温差条件下测出相应的λ值，然后按λ值标在λ一坐标图内，就可以得出的关系曲线。

三、实验装置及测量仪器

热处理炉

热电偶

直尺

[附] 实验主要参数

测量下列参数:

1．记录热处理炉加热功率：

2．测量炉壁平板尺寸：

3．计算导热计算面积F：

4．测量炉壁厚度δmm

5．记录加热时间：Ω

6．设定加热温度： ℃

四、实验结果处理

实验数据取实验进入稳定状态后的连续三次稳定结果的平均值。导热量(即热处理炉的电功率)：

Q = W (或I·V) [W] （1—4）

炉壁两面的温差：

Δt =t_R-t_L [℃] （1—5）

式中 t_R——炉壁的热面温度(即t₁或t₂) ， ℃；

t_L——炉壁的冷面温度(即t₃或t₄) ， ℃。

平均温度为

[℃] （1—6）

平均温度为时的导热系数：

（或） [w/m﹒℃] （1—7）

将不同平均温度下测定的材料导热系数绘成λ─关系曲线，并求出的关系式。

导热系数测定记录表

表1—1

实验二温度场的测定和绘图

一、实验目的

1.了解实验装置，熟悉热电偶的测量方法，掌握测试仪表的使用方法。

2.测定开门状态下热处理炉温度场的特征。

3.通过绘图,理解温度场等温线,温度梯度等概念。

二、实验原理

三、实验设备

热处理炉，热电偶。

四、实验步骤

1. 设定热处理炉的温度；

2. 连接热电偶，将热电偶放入热处理炉中；

3. 热处理炉通电加热;

4. 在设定温度下,打开热处理炉门,分别在门口不同点测量温度。

5. 绘制温度场曲线.

五、试验结论与讨论

开口温度曲线的特征是什么？分析为什么温度场呈现该特征？

第二篇：材料加工工程传热学实验报告

《材料加工工程传热学》实验报告

一、实验目的

材料加工工程专业学生学习传热学主要应掌握传热的三种基本形式、钢的加热工艺、加热设备等内容，其中，利用数学分析法和数值解法求解不稳定态导热时钢材内部温度场方面的内容十分难于理解，但该部分内容又十分重要，故针对这部分内容安排一个实验有助于学生加强理解这部分的难点内容。在科研和实际生产中，材料加工工程专业的技术人员经常会遇到测试和计算各种断面形状的钢材在各种环境中的加热或冷却速度、温度等问题，而计算钢材内部温度场就必须测试钢材与外部环境之间的综合给热系数，本实验可以让学生熟练掌握测试综合给热系数的原理、步骤和数据处理方法。此外，完成本实验还可以提高学生动手能力，理解和运用高级语言编程能力以及对实验结果和数据的科学分析能力。

二、实验原理

被加热或被冷却的工件与其周围环境间存在温度差别时，工件即与周围环境发生热量传递，热量传递方式包括对流换热和辐射换热。在对流换热情况下，单位面积的换热量q_c正比于工件表面温度T_s与周围环境温度T_a之差，换热量与温差成线性关系

式中 α_c为对流换热系数。

在辐射换热情况下，单位面积的换热量q_r与温差成非线性关系

式中 σ为Stefan-Boltzmann常数，ε为辐射率。

当工件表面与周围环境间同时存在对流换热和辐射换热时，单位面积总换热量可表达成

上式中的α可以看作综合换热系数，它说明：当工件受到加热时，周围环境的热量将以对流和辐射两种方式向工件表面传递，热量再以传导方式向工件内部传递；反之，当工件受到冷却时，热量将通过工件表面传递出来，并以对流和辐射两种方式向周围环境散热。由此可见，在加热或冷却过程中，只要测出工件表面或内部不同位置在不同时刻的温度值，然后根据能量守恒原理即可得到工件与环境间的综合换热系数。

1、近表面温度直测法

将热电偶点焊在近表面测点A、B处（如图1所示），记录不同时刻的温度变化（T_a、T_b）。这就知道了表面温度随时间的变化，以及温度沿截面的分布，即温度梯度，由此即可求出通过表面的热流密度q，再根据牛顿公式即可求出各时刻的综合换热系数α。

发生辐射及对流换热时，由微元体右侧流入微元体的热量为：

由微元体左侧流出微元体的热量为：

经过时间后，微元体蓄积的热量为：

根据能量守恒原理有：，由此推出（5）

式中：m为圆周方向的等分数；为某一时刻近表面两点的温度差，加热时取，冷却时取；为表面点A于前后两时刻间的温度差，加热时取，冷却时取。

2、非线性估算法

近表面温度直测法适合于空冷、炉冷、随炉加热等温度变化较为缓慢的条件，温度变化较大时，受测量精度限制，误差较大。此时，可采用非线性估算法反推出综合换热系数。这种方法的指导思想是：设定表面换热系数，推算内部测点温度，根据推算值与测定值之间的差值不断修正设定的表面换热系数，使得推算值不断逼进测定值，直至相等，此时的表面换热系数即为实际表面换热系数。

根据表面换热系数，推算内部测点温度时，可采用差分方程，为简单方便，本实验采用显式差分方程，差分方程的推导过程可参见相关资料^[1]，这里只给出微分方程和差分方程。

不考虑内热源时，圆柱坐标系下，一维非稳态导热微分方程为

（6）