穩(wěn)態(tài)雙平板法測定非金屬材料的導熱系數(shù)

1、第二節(jié) 穩(wěn)態(tài)雙平板法測定非金屬材料的導熱系數(shù)一、實驗內(nèi)容以無限大平板的導熱規(guī)律為基礎，利用NK-200型雙試件導熱率測定裝置、雙路直流穩(wěn)壓電源、恒溫水浴和測試系統(tǒng)用穩(wěn)態(tài)雙平板法測定非金屬材料的平板兩側(cè)的大致的溫度值，結(jié)合傅里葉定律，導出平均溫度下的平均導熱系數(shù)m，確立導熱系數(shù)和溫度之間的關系。二、實驗原理雙平板法是以無限大平板的導熱規(guī)律為基礎的。設有一塊厚度為，導熱系數(shù)為 = A + Bt的無限大平板，一側(cè)以恒定流密度q（W/）加熱，平板兩表面的溫度分別保持恒等于t1和t2 。 如圖1所示。根據(jù)付立葉定律，描寫板內(nèi)溫度場的導熱微分方程式為 (1) 相應的邊界條件為： x = 0處,t = t1

2、 x =處,t = t2 (2) 積分（1）式并代入（2）式的邊界條件，則得 （3） 令 （4） 即在平均溫度tm=(t1+t2)/2的條件下，板材的導熱系數(shù)等于在t1和t2間材料的平均導熱系數(shù)m。 圖 1 平板導熱原理圖 (4)式則寫為 (5)如果是為了確定板材的導熱系數(shù)，則需在熱穩(wěn)定時，測出加熱（或冷卻）平板一側(cè)的恒熱流密度q（W/m2）和溫度t1、t2，依據(jù)(5)式便可得板材的平均導熱系數(shù)： (6)三、實驗設備如圖2所示，它包括NK-200型雙試件導熱率測定裝置、雙路直流穩(wěn)壓電源、恒溫水浴和測試系統(tǒng)。NK-200型雙試件導熱率測定裝置為對稱的雙平板結(jié)構(gòu)，它的中央為圓形主加熱器，其周圍為環(huán)

3、形輔助加熱器，它們均為薄片型加熱器，由電阻帶均勻繞成。二者共平面，其之間有一小的環(huán)形隔縫。在主、輔加熱器上，各放置由導熱系數(shù)較大的黃銅做的圓形均熱板。主、輔均熱板也是同厚度共平面，二者之間有1的環(huán)形隔縫。實驗時將兩塊直徑均等于環(huán)形輔助加熱器均熱板外徑相等厚度的同種試件分別置于兩側(cè)的均熱板上。并在每塊試材的另一面各安置一個圓盤形冷卻器，最后從兩個方向用力將它們壓緊以減少各交界面上的接觸熱阻。一臺超級恒溫水浴向兩個冷卻器并聯(lián)供給恒溫水。冷卻器內(nèi)有盤香形小槽，恒溫水沿槽盤旋流動，以便保持兩塊試材的冷卻面具有相同的溫度。雙路直流穩(wěn)壓器分別對主、輔加熱器單獨供電。實驗時，可以調(diào)節(jié)輔助加熱器的功率，來匹配

4、已設定好的主加熱器的功率，使得在熱穩(wěn)定時，主、輔均熱板間的隔縫在徑向上無溫差，這意味著它們之間無熱量傳遞，主均熱板表面是等溫面，以一半主加熱器功率對其試件的中央部分供應一維導熱流。這樣，達到了實驗原理的要求。必須特別指出，試件的厚度不宜過大。否則，由于試件側(cè)向散熱及其徑向溫度梯度引起的徑向?qū)?，使得主均熱板和冷卻器間的試件內(nèi)各等溫面不再是互相平行的平面了，不能滿足一維導熱實驗原理的要求。為了計算試件的導熱系數(shù)，在主、輔均熱板的表面和冷卻器的冷卻表面共埋設8對鎳鉻康銅（E型）熱電偶，其布置如圖2所示。通過多點切換開關由數(shù)字電壓表測量各熱電偶輸出的熱電勢，查表以確定各點溫度。四、實驗步驟1.預習實

5、驗報告，弄懂實驗原理，了解實驗裝置的結(jié)構(gòu)和實驗方法。2、在實驗裝置已經(jīng)設置并調(diào)節(jié)好的基礎上，接通直流穩(wěn)壓器電源，啟動恒溫水浴。在冰瓶內(nèi)制作好冰水混合物，熱電偶冷端置于冰瓶內(nèi)。按預先擬定的方案，調(diào)節(jié)主、輔加熱器的功率，直至達實驗要求。3、熱穩(wěn)定后，每隔20分鐘采集一次數(shù)據(jù)，共采集三次。需采集的數(shù)據(jù)有各對熱電偶輸出的熱電勢、主加熱器的電流和電壓，將數(shù)據(jù)填入預先畫好的記錄表中，取三次的平均值作為計算值。4、測量數(shù)據(jù)經(jīng)指導教師審核后，切斷電源，結(jié)束實驗，整理現(xiàn)場。五、基本參數(shù)及有關計算本實驗所用試材為有機玻璃，質(zhì)量M = 550.0g,厚度 = 15.00,直徑D = 200.00，主均熱板直徑D1

6、= 99.00 ,輔助均熱板內(nèi)徑D2 = 101.00外徑D = 200.00，如圖3所示。建議取De = (D1+D2)/2作為計算試件一維導熱面積的直徑。為了避免主加熱器的電源導線通過輔熱加熱器而受熱，先將主加熱器電阻帶的兩端穿過輔助加熱器后再與電源線連接。這樣，主加熱器實際傳給試件的熱量要小于所測的主加熱器輸入電功率，根據(jù)主加熱器電阻帶中有多長未穿過輔助加熱器，每臺實驗本體的側(cè)面都標有一個小于1的功率修正系數(shù)K。前已述及,本實驗裝置采取雙平板的對稱結(jié)構(gòu),使兩塊試件內(nèi)的溫度場相同,即t5 = t6，t7 = t8，同時，調(diào)節(jié)輔助加熱器功率使得t1 = t2,t3 = t4，以滿足主加熱器上

7、試件的一維導熱條件。但是，由于加工工藝、裝配質(zhì)量和功率調(diào)節(jié)方法等方面的原因，實際中往往得不到上述的理想溫度場。而是當t5 t6，t7 t8，t1 t2，t3 t4 時即認為近似符合實驗原理的條件，當然其近似程度取決于實驗結(jié)果所需精度。綜上所述,計算試件在平均溫度tm = ( t5 + t6 + t7 + t8 )/4下的平均導熱系數(shù)時,應用下式進行計算 （9）式中 （10）為一維穩(wěn)態(tài)導熱的計算面積。六、實驗數(shù)據(jù)記錄與處理功率修正系數(shù)：k=0.96 各對熱電偶的熱電勢、主加熱器的電流電壓值 時間E1/mVE 2/mVE 3E 4/mVE 5/mVE 6/mVE 7/mVE 8/mVVI16：00

8、2.6262.6242.6342.6112.6262.6281.6591.0117.80.60216:202.7462.8772.7532.7702.7452.7451.7451.0707.80.60216:402.7212.6902.8262.8602.8212.8201.7851.0807.80.602在得到鎳鉻康銅（E型）熱電偶各點的電勢值后查附錄得試件各對應點的溫度值。 試件各對應點的溫度值 時間t1t2t3t4t5t6t7t816:0043.3043.2743.4343.0643.3043.3027.7017.1616:2045.3047.3045.3245.6045.1945.1929.0817.9816:4044.9044.3246.5047.0346.4146.4029.7418.15平均值44.5044.9645.0845.2344.9744.9728.8417.76數(shù)據(jù)處理： 七