多项传热学教学实验组合方法.pdf

本发明公开了一种多项传热学教学实验组合方法，它采用多项传热学教学实验箱；将多项传热学教学实验箱进行积木式变换组合；可分别进行圆管或平板稳态导热法测定材料导热系数、平板非稳态导热法测定材料导热系数、测定大空间或有限空间内竖板或水平板或竖管或水平管的自然对流换热系数、测定空气横掠单管或纵掠平板时强迫对流的换热系数、比较法测定不同材料的法向发射率等多项传热学基本实验，并可以通过烟可视化观察相应的流场。完全能达到传热学实验教学的目的，改善传热学课程与实验的同步性，有助于激发学生对实验的兴趣，增强学生的动手能力和对课程的理解，降低实验成本。

1.  一种多项传热学教学实验组合方法，其特征是：
(1)采用由二个完全相同的片状和一个管状的电加热元件为核心，与若干个试件、构架、热电偶、转换接头、标准电阻，以及调压器、多级可调速风机、片光源、即插式电路板、室温计、精密毫伏计等组合在一个箱体内的多项传热学教学实验箱；
(2)按照传热学教学不同的实验项目的要求，将多项传热学教学实验箱进行积木式变换组合；
(3)在对多项传热学教学实验箱进行积木式变换组合基础上，分别进行圆管或平板稳态导热法测定材料导热系数、平板非稳态导热法测定材料导热系数、测定大空间或有限空间内竖板或水平板或竖管或水平管的自然对流换热系数、测定空气横掠单管或纵掠平板时强迫对流的换热系数、比较法测定不同材料的法向发射率等多项传热学基本实验，并可以通过烟可视化观察相应的流场。

2.  根据权利要求1所述的多项传热学教学实验组合方法，其特征在于，圆管稳态导热法测定材料导热系数的实验是在管状电加热元件(2)的中间位置沿圆周方向外侧均布4个热电偶并将热电偶串联，在外圆管(16)的内侧中间位置沿圆周方向均布4个热电偶也将热电偶串联，将外圆管(16)一端塞上圆管绝热塞(17)，将管状电加热元件(2)套入外圆管(16)中(内管和外管通过圆管绝热塞(17)固定)，然后灌入被测试件(34)，压紧后另一端再塞上另一圆管绝热塞(18)，电加热元件的导线和热电偶引出线分别从圆管绝热塞(17)和(18)的小孔引出；将插板(10a)和(10b)分别插入箱体(29)的插槽中上，并用固定条(35)紧固，然后将组装好的试件水平搁置于插板(10a)和(10b)上的凹槽内；用标准电阻在即插式电路板上搭出测量电流和电压的电路，与电加热元件(2)、调压器、交直流转换电路及220v交流电源相连接构成回路，电流、电压及热电偶的测量引出线分别通过插拔式转换开关接头组连接到精密毫伏计；通电加热等待稳定后，用精密毫伏计分别读出电流、电压和内圆管外侧及外圆管内侧的热电势，计算出被测试件(34)的导热系数。

3.  根据权利要求1所述的多项传热学教学实验组合方法，其特征在于，平板稳态导热法测定材料导热系数的测定实验是将两个片状电加热元件的任一个(1a)或(1b)夹紧在完全相同的导热试件(19、20、21、22)的任二个中，每个试件的两侧表面分别布置一些热电偶并将每侧表面的热电偶串联，将这三夹板再整体嵌入平板绝热框(30a)或(30b)中的任一个，电加热元件的导线和热电偶引出线分别从平板绝热框边缘的小孔引出，然后将组装好的试件夹紧在插板(10a)和(10b)之间。用标准电阻在即插式电路板上搭出测量电流和电压的电路，与电加热元件(1a)或(1b)、调压器、交直流转换电路及220v交流电源相连接构成回路，电流、电压及热电偶的测量引出线分别通过插拔式转换开关接头组连接到精密毫伏计；通电加热等待稳定后，用精密毫伏计分别读出电流、电压和各导热试件两侧的热电势，计算出被测试件的导热系数。

4.  根据权利要求1所述的多项传热学教学实验组合方法，其特征在于，平板非稳态导热法测定材料导热系数的测定实验是将导热试件(19)、片状电加热元件(1a)、导热试件(20)和(21)、片状电加热元件(1b)、导热试件(22)依次叠放并相互夹紧，导热试件(19、20、21、22)完全相同，在导热试件(20)的两侧分别布置一些热电偶并将每侧表面的热电偶串联，将这组件再整体嵌入平板绝热框(30a)与(30b)中，在前后面再各放置一块绝热块，电加热元件的导线和热电偶引出线分别从平板绝热框边缘的小孔引出。用标准电阻在即插式电路板上搭出测量电流和电压的电路，与电加热元件(1a)和(1b)、调压器、交直流转换电路及220v交流电源相连接构成回路，电流、电压及热电偶的测量引出线分别通过插拔式转换开关接头组连接到精密毫伏计；通电加热后马上在相同的时间间隔内分别用精密毫伏计轮流读出导热试件两侧的热电势，直至进入准稳态后两侧的热电势不变，再用精密毫伏计分别读出电流、电压，计算出被测试件的导热系数。

5.  根据权利要求1所述的多项传热学教学实验组合方法，其特征在于，横管大空间和竖管大空间自然对流换热系数的测定分别是在管状电加热元件(2)中间位置沿圆周方向外侧均布若干个热电偶，将插板(10a)和(10b)分别插入在箱体(29)的插槽中上，将铁丝桥插入插板(10a)和(10b)的插孔中，插板(10a)和(10b)用固定条(35)紧固，然后将组装好的试件分别水平和竖直悬挂于铁丝桥(31)上。用标准电阻在即插式电路板上搭出测量电流和电压的电路，与电加热元件(2)、调压器、交直流转换电路及220v交流电源相连接构成回路，电流、电压及热电偶的测量引出线分别通过插拔式转换开关接头组连接到精密毫伏计；通电加热等待稳定后，用精密毫伏计分别读出电流、电压和加热管外的热电势，计算出相应的自然对流换热系数。

6.  根据权利要求1所述的多项传热学教学实验组合方法，其特征在于，竖板大空间自然对流换热系数的测定是将插板(10a)和(10b)分别插入在箱体(29)的插槽中上，插板(10a)和(10b)用固定条(35)紧固，将两个片状电加热元件的任一个(1a)或(1b)竖直插入插板(10a)和(10b)中间的插槽中，在电加热元件(1a)或(1b)的两侧表面均布热电偶，用标准电阻在即插式电路板上搭出测量电流和电压的电路，与电加热元件(1a)或(1b)、调压器、交直流转换电路及220v交流电源相连接构成回路，电流、电压及热电偶的测量引出线分别通过插拔式转换开关接头组连接到精密毫伏计；通电加热等待稳定后，用精密毫伏计分别读出电流、电压和加热片两侧的热电势，从而计算出相应的自然对流换热系数。加热元件(1a)或(1b)为长方形时，可作竖向为长边和竖向为短边的比较。

7.  根据权利要求1所述的多项传热学教学实验组合方法，其特征在于，水平板大空间自然对流换热系数的测定是将两个片状电加热元件的任一个(1a)或(1b)下部放置绝热块(23)，嵌入平板绝热框(30a)或(30b)中，整体水平放置，试件上表面布置若干个热电偶并将他们串联，将电加热元件的导线和热电偶引出线分别从平板绝热框边缘的小孔引出；用标准电阻在即插式电路板上搭出测量电流和电压的电路，与电加热元件(1a)或(1b)、调压器、交直流转换电路及220v交流电源相连接构成回路，电流、电压及热电偶的测量引出线分别通过插拔式转换开关接头组连接到精密毫伏计；通电加热等待稳定后，用精密毫伏计分别读出电流、电压和加热片两侧的热电势，从而计算出相应的自然对流换热系数。当热面朝下时，将整体翻转，可作比较。

8.  根据权利要求1所述的多项传热学教学实验组合方法，其特征在于，有限空间自然对流换热系数的测定是将插板(10a)和(10b)分别插入在箱体(29)的插槽中上，插板(10a)和10b用固定条(35)紧固，将两个片状电加热元件的任一个(1a)或(1b)竖直插入插板10a和10b中间的插槽中。在加热元件的表面分别布置一些热电偶并将每侧表面的热电偶串联。将封闭腔插板(12)、(13)、(14)、(15)分别插入插板(10a)和(10b)的插槽中；构件(10a)、(10b)、(12)、(13)、(14)、(15)构成一个封闭的有限空间。用标准电阻在即插式电路板上搭出测量电流和电压的电路，与电加热元件(1a)或(1b)、调压器、交直流转换电路及220v交流电源相连接构成回路，电流、电压及热电偶的测量引出线分别通过插拔式转换开关接头组连接到精密毫伏计；通电加热等待稳定后，用精密毫伏计分别读出电流、电压和加热片两侧的热电势，从而计算出相应的自然对流换热系数。加热元件(1a)或(1b)为长方形时，可作竖向为长边和竖向为短边的比较。

9.  根据权利要求1所述的多项传热学教学实验组合方法，其特征在于，空气横掠单管时平均表面传热系数的测定是将管状电加热元件(2)水平放置在箱体(29)的风道内，用风道侧面的螺栓(50)顶紧，在电加热元件(2)沿圆周方向的外侧均布若干个热电偶并将热电偶串联，开动多级可调速风机(8)。建立与权利要求5相同的加热电路和测试电路，根据该电路测得的电流、电压和加热管表面的热电势，以及已标定的风速，计算出相应的对流换热系数并整理出准则方程。

10.  根据权利要求1所述的多项传热学教学实验组合方法，其特征在于，空气纵掠平板时强迫对流表面换热系数的测定是将片状电加热元件(1a)或(1b)水平放置在箱体(29)的风道内，用风道侧面的螺栓(50)顶紧，在电加热元件(1a)或(1b)上下表面中间位置沿风向均布若干个热电偶，开动多级可调速风机(8)，建立与权利要求6相同的加热电路和测试电路，根据该电路测得的电流、电压和加热片表面的热电势，以及已标定的风速，从而计算出相应的对流换热系数并整理出准则方程，加热元件(1a)或(1b)为长方形时，可作风向为长边和风向为短边时的比较。

11.  根据权利要求5、6、7所述的多项传热学教学实验组合方法，在完成各自的实验步骤后，再将各加热件(1a)或(1b)或(2)用烟薰黑。然后重复该实验的各步骤，两次实验的差值就是由辐射换热引起的，因此还可测得物体的法向发射率，即为相应的辐射实验。

12.  根据权利要求5、6、7、9、10所述的多项传热学教学实验组合方法，在各自实验中，于加热件(1a)或(1b)或(2)附近放烟，用片光源照射，除了可进行常规的传热学实验外，还可观察相应的流场。

多项传热学教学实验组合方法
                       技术领域
本发明涉及一种教学实验方法，尤其是一种传热学教学实验方法。
                       背景技术
目前，在学校的传热学教学实验中，基本上都是通过老师的讲解，学生根据实验指导书和预先安装好的实验装置及仪器，对实验现象进行观察，记录数据，完成报告。由于传热学教学中实验项目多，这样就需要使用各种不同的实验设备，实验的综合性差，且设备往往较大，移动性差，套数有限甚至只有一套，学生难以在短期内轮转，所以与课程的同步性不好，影响了学生对课程的理解。另外，这种预先设计好的实验，学生主动参与性较差，也影响了实验效果。
中国专利申请号93115076.0，申请日1993.11.19，公开了一种测定材料导热系数的方法及其装置，使已知厚度的被测材料通过设置于其一侧面上的已知面积的加热盘基本上接收一已知功率的热源的全部功率；在被测材料的另一侧面上与加热盘相对应的位置上设置一受热盘并测得加热盘与受热盘之间的温度差，用上述各参数代入导热方程即求得材料的导热系数。该测量方法及其装置主要用于在实际实用环境中快速测得平板材料的导热系数。因此，也不能适用于传热学教学中各种形状的材料的导热系数的测定实验项目。
                       发明内容
本发明是要解决现有传热学教学实验中实验方法的单一性，实验效果差，影响学生对课程的理解等问题，提供一种采用小型化可拆装组合的多项传热学教学实验箱，能适用于传热学实验教学，有助于激发学生对实验的兴趣，增强学生的动手能力和对课程的理解的多样化多项传热学教学实验组合方法。
本发明一种多项传热学教学实验组合方法是：
(1)采用由完全相同的二个片状和一个管状的电加热元件为核心，与若干个试件、构架、热电偶、转换接头、标准电阻，以及调压器、多级可调速风机、片光源、即插式电路板、室温计、精密毫伏计等组合在一个箱体内的多项传热学教学实验箱；
(2)按照传热学教学不同的实验项目的要求，将多项传热学教学实验箱进行积木式变换组合；
(3)在对多项传热学教学实验箱进行积木式变换组合基础上，分别进行圆管或平板稳态导热法测定材料导热系数、平板非稳态导热法测定材料导热系数、测定大空间或有限空间内竖板或水平板或竖管或水平管的自然对流换热系数、测定空气横掠单管或纵掠平板时强迫对流的换热系数、比较法测定不同材料的法向发射率等多项传热学基本实验，并可以通过烟可视化观察相应的流场。
本发明由于采用了在小型化、便携式、可拆装组合的教学实验箱上进行多样化的多项传热学教学实验组合方法，完全达到了传热学实验教学的目的，改善了传热学课程与实验的同步性，有助于激发学生对实验的兴趣，增强学生的动手能力和对课程的理解，降低了实验成本。
                        附图说明
图1是圆管稳态导热法测定材料导热系数的实验装置示意图；
图2是平板稳态导热法测定材料导热系数的实验装置示意图；
图3是平板非稳态导热法测定材料导热系数的实验装置示意图；
图4是横管大空间自然对流换热系数测定的实验装置示意图；
图5是竖管大空间自然对流换热系数测定的实验装置示意图；
图6是竖板大空间自然对流换热系数测定的实验装置示意图；
图7是水平板热面向下大空间自然对流换热系数测定的实验装置示意图；
图8是水平板热面向上大空间自然对流换热系数测定的实验装置示意图；
图9是有限空间自然对流换热系数测定的实验装置示意图；
图10是图9的E-E剖视图；
图11是空气横掠单管时表面换热系数测定的实验装置示意图；
图12是空气纵掠平板时强迫对流的表面换热系数测定的实验装置示意图。
                     具体实施方式
下面结合附图和实施方法对本发明作进一步的说明。
本发明一种多项传热学教学实验组合方法是：
(1)采用由二个完全相同的片状和一个管状的电加热元件为核心，与若干个试件、构架、热电偶、转换接头、标准电阻，以及调压器、多级可调速风机、片光源、即插式电路板、室温计、精密毫伏计等组合在一个箱体内的多项传热学教学实验箱；
(2)按照传热学教学不同的实验项目的要求，将多项传热学教学实验箱进行积木式变换组合；
(3)在对多项传热学教学实验箱进行积木式变换组合基础上，分别进行圆管或平板稳态导热法测定材料导热系数、平板非稳态导热法测定材料导热系数、测定大空间或有限空间内竖板或水平板或竖管或水平管的自然对流换热系数、测定空气横掠单管或纵掠平板时强迫对流的换热系数、比较法测定不同材料的法向发射率等多项传热学基本实验，并可以通过烟可视化观察相应的流场。
具体实验方法如下：
(1)圆管稳态导热法测定材料导热系数的实验(如图1)
在管状电加热元件(2)的中间位置沿圆周方向外侧均布4个热电偶并将热电偶串联，在外圆管(16)的内侧中间位置沿圆周方向均布4个热电偶也将热电偶串联，将外圆管(16)一端塞上圆管绝热塞(17)，将管状电加热元件(2)套入外圆管(16)中(内管和外管通过圆管绝热塞(17)固定)，然后灌入被测试件(34)，压紧后另一端再塞上另一圆管绝热塞(18)，电加热元件的导线和热电偶引出线分别从圆管绝热塞(17)和(18)的小孔引出；将插板(10a)和(10b)分别插入箱体(29)的插槽中上，并用固定条(35)紧固，然后将组装好的试件水平搁置于插板(10a)和(10b)上的凹槽内；用标准电阻在即插式电路板上搭出测量电流和电压地电路，与电加热元件(2)、调压器、交直流转换电路及220v交流电源相连接构成回路，电流、电压及热电偶的测量引出线分别通过插拔式转换开关接头组连接到精密毫伏计；通电加热等待稳定后，用精密毫伏计分别读出电流、电压和内圆管外侧及外圆管内侧的热电势，从而计算出被测试件(34)的导热系数。
(2)平板稳态导热法测定材料导热系数的实验(如图2)
将两个片状电加热元件的任一个(1a)或(1b)夹紧在完全相同的导热试件(19、20、21、22)的任二个中，每个试件的两侧表面分别布置一些热电偶并将每侧表面的热电偶串联，将这三夹板再整体嵌入平板绝热框(30a)或(30b)中的任一个，电加热元件的导线和热电偶引出线分别从平板绝热框边缘的小孔引出，然后将组装好的试件夹紧在插板(10a)和(10b)之间。用标准电阻在即插式电路板上搭出测量电流和电压的电路，与电加热元件(1a)或(1b)、调压器、交直流转换电路及220v交流电源相连接构成回路，电流、电压及热电偶的测量引出线分别通过插拔式转换开关接头组连接到精密毫伏计；通电加热等待稳定后，用精密毫伏计分别读出电流、电压和各导热试件两侧的热电势，从而计算出被测试件的导热系数。
(3)平板非稳态导热法测定材料导热系数的实验(如图3)将导热试件(19)、片状电加热元件(1a)、导热试件(20)和(21)、片状电加热元件(1b)、导热试件(22)依次叠放并相互夹紧，导热试件(19、20、21、22)完全相同，在导热试件(20)的两侧分别布置一些热电偶并将每侧表面的热电偶串联，将这组件再整体嵌入平板绝热框(30a)与(30b)中，在前后面再各放置一块绝热块，电加热元件的导线和热电偶引出线分别从平板绝热框边缘的小孔引出。用标准电阻在即插式电路板上搭出测量电流和电压的电路，与电加热元件(1a)和(1b)、调压器、交直流转换电路及220v交流电源相连接构成回路，电流、电压及热电偶的测量引出线分别通过插拔式转换开关接头组连接到精密毫伏计；通电加热后马上在相同的时间间隔内分别用精密毫伏计轮流读出导热试件两侧的热电势，直至进入准稳态后两侧的热电势不变，再用精密毫伏计分别读出电流、电压，从而计算出被测试件的导热系数。
(4)横管或竖管大空间自然对流换热系数的测定实验(如图4、5)
在管状电加热元件(2)中间位置沿圆周方向外侧均布若干个热电偶，将插板(10a)和(10b)分别插入在箱体(29)的插槽中上，将铁丝桥插入插板(10a)和(10b)的插孔中，插板(10a)和(10b)用固定条(35)紧固，然后将组装好的试件分别水平和竖直悬挂于铁丝桥(31)上。用标准电阻在即插式电路板上搭出测量电流和电压的电路，与电加热元件(2)、调压器、交直流转换电路及220v交流电源相连接构成回路，电流、电压及热电偶的测量引出线分别通过插拔式转换开关接头组连接到精密毫伏计；通电加热等待稳定后，用精密毫伏计分别读出电流、电压和加热管外的热电势，从而计算出相应的自然对流换热系数。
(5)竖板大空间自然对流换热系数的测定实验(如图6)
将插板(10a)和(10b)分别插入在箱体(29)的插槽中上，插板(10a)和(10b)用固定条(35)紧固，将两个片状电加热元件的任一个(1a)或(1b)竖直插入插板(10a)和(10b)中间的插槽中。在电加热元件(1a)或(1b)的两侧表面均布热电偶，用标准电阻在即插式电路板上搭出测量电流和电压的电路，与电加热元件(1a)或(1b)、调压器、交直流转换电路及220v交流电源相连接构成回路，电流、电压及热电偶的测量引出线分别通过插拔式转换开关接头组连接到精密毫伏计；通电加热等待稳定后，用精密毫伏计分别读出电流、电压和加热片两侧的热电势，从而计算出相应的自然对流换热系数。加热元件(1a)或(1b)为长方形时，可作竖向为长边和竖向为短边的比较。
(6)水平板大空间自然对流换热系数的测定实验(如图7、8)
将两个片状电加热元件的任一个(1a)或(1b)下部放置绝热块(23)，嵌入平板绝热框(30a)或(30b)中，整体水平放置，试件上表面布置若干个热电偶并将他们串联，将电加热元件的导线和热电偶引出线分别从平板绝热框边缘的小孔引出；用标准电阻在即插式电路板上搭出测量电流和电压的电路，与电加热元件(1a)或(1b)、调压器、交直流转换电路及220v交流电源相连接构成回路，电流、电压及热电偶的测量引出线分别通过插拔式转换开关接头组连接到精密毫伏计；通电加热等待稳定后，用精密毫伏计分别读出电流、电压和加热片两侧的热电势，从而计算出相应的自然对流换热系数。当热面朝下时，将整体翻转，可作比较。
(7)有限空间平板自然对流换热系数的测定实验(如图9，10)
将插板(10a)和(10b)分别插入在箱体(29)的插槽中上，插板(10a)和10b用固定条(35)紧固，将两个片状电加热元件的任一个(1a)或(1b)竖直插入插板10a和10b中间的插槽中。在加热元件的表面分别布置一些热电偶并将每侧表面的热电偶串联。将封闭腔插板(12)、(13)、(14)、(15)分别插入插板(10a)和(10b)的插槽中；构件(10a)、(10b)、(12)、(13)、(14)、(15)构成一个封闭的有限空间。电路接线和测量同竖板大空间自然对流换热系数的测定实验。
(9)空气横掠单管时表面换热系数的测定实验(如图11)
将管状电加热元件(2)水平放置在箱体(29)的风道内，用风道侧面的螺栓(50)顶紧，在电加热元件(2)沿圆周方向的外侧均布若干个热电偶并将热电偶串联，开动多级可调速风机(8)。建立与横管或竖管大空间自然对流换热系数测定实验相同的加热电路和测试电路，根据该电路测得的电流、电压和加热管表面的热电势，以及已标定的风速，从而计算出相应的对流换热系数并整理出准则方程。(10)空气纵掠平板时强迫对流的表面换热系数的测定实验(如图12)将片状电加热元件(1a)或(1b)水平放置在箱体(29)的风道内，用风道侧面的螺栓(50)顶紧，在电加热元件(1a)或(1b)上下表面中间位置沿风向均布若干个热电偶，开动多级可调速风机(8)。建立与竖板大空间自然对流换热系数测定实验相同的加热电路和测试电路，根据该电路测得的电流、电压和加热片表面的热电势，以及已标定的风速，从而计算出相应的对流换热系数并整理出准则方程。加热元件(1a)或(1b)为长方形时，可作风向为长边和风向为短边时的比较。
(11)在以上所有大空间自然对流实验当中，完成其实验步骤后，再将加热件用烟薰黑。然后重复该实验的各步骤，两次实验的差值就是由辐射换热引起的，因此还可测得物体的法向发射率，即为辐射实验。如在加热件附近放烟，用片光照射，除了可进行常规的传热学实验外，还可观察相应的流场。