導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定

1、導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定 材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定方法有材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定方法有 穩(wěn)定熱流法穩(wěn)定熱流法 和和 非穩(wěn)定熱流非穩(wěn)定熱流法法 兩大類(lèi)。每大類(lèi)中又有多種測(cè)定方法。本實(shí)驗(yàn)用穩(wěn)定熱流法兩大類(lèi)。每大類(lèi)中又有多種測(cè)定方法。本實(shí)驗(yàn)用穩(wěn)定熱流法中的球體法，非穩(wěn)定熱流法中的平板法進(jìn)行測(cè)定。中的球體法，非穩(wěn)定熱流法中的平板法進(jìn)行測(cè)定。 在現(xiàn)代工程中，測(cè)定材料導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)定態(tài)熱流方法以其原在現(xiàn)代工程中，測(cè)定材料導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)定態(tài)熱流方法以其原理簡(jiǎn)單、計(jì)算方便而被廣泛應(yīng)用。球壁導(dǎo)熱儀即為其中的方法之理簡(jiǎn)單、計(jì)算方便而被廣泛應(yīng)用。球壁導(dǎo)熱儀即為其中的方法之一。主要用于測(cè)定粉狀、顆粒狀、纖維狀干燥材料在不同填充密一。主要用于測(cè)定

2、粉狀、顆粒狀、纖維狀干燥材料在不同填充密度下的導(dǎo)熱系數(shù)。度下的導(dǎo)熱系數(shù)。 本實(shí)驗(yàn)的目的：本實(shí)驗(yàn)的目的： 1. 加深對(duì)穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程基本理論的理解，建立維度與坐標(biāo)選擇加深對(duì)穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程基本理論的理解，建立維度與坐標(biāo)選擇的關(guān)系。的關(guān)系。 2. 掌握用球壁導(dǎo)熱儀測(cè)定絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法掌握用球壁導(dǎo)熱儀測(cè)定絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法 圓球法。圓球法。 3. 確定材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系。確定材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系。 4. 學(xué)會(huì)根據(jù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)判斷其導(dǎo)熱能力并進(jìn)行導(dǎo)熱計(jì)算。學(xué)會(huì)根據(jù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)判斷其導(dǎo)熱能力并進(jìn)行導(dǎo)熱計(jì)算。 不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)相差很大，一般說(shuō)，金不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)相差很大，一般說(shuō)，金屬

3、的導(dǎo)熱系數(shù)在屬的導(dǎo)熱系數(shù)在417.6 W/m范圍內(nèi)，建范圍內(nèi)，建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)在筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)在2.2 W/m之間，液之間，液體的導(dǎo)熱系數(shù)波動(dòng)于體的導(dǎo)熱系數(shù)波動(dòng)于0.7 W/m，而氣體，而氣體的導(dǎo)熱系數(shù)則最小，在的導(dǎo)熱系數(shù)則最小，在0.58 W/m范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 即使是同一種材料，其導(dǎo)熱系數(shù)還隨溫即使是同一種材料，其導(dǎo)熱系數(shù)還隨溫度、壓強(qiáng)、濕度、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和密度等因素而變度、壓強(qiáng)、濕度、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和密度等因素而變化?；?二二基本原理基本原理 各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)均可從有關(guān)資料或手冊(cè)中查到，但各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)均可從有關(guān)資料或手冊(cè)中查到，但由于具體條件如溫度、結(jié)構(gòu)、濕度和壓強(qiáng)等條件的不

4、同，這些由于具體條件如溫度、結(jié)構(gòu)、濕度和壓強(qiáng)等條件的不同，這些數(shù)據(jù)往往與實(shí)際使用情況有出入，需進(jìn)行修正。數(shù)據(jù)往往與實(shí)際使用情況有出入，需進(jìn)行修正。 導(dǎo)熱系數(shù)低于導(dǎo)熱系數(shù)低于0.22 W/m的一些固體材料稱(chēng)為絕熱材的一些固體材料稱(chēng)為絕熱材料，由于它們具有多孔性結(jié)構(gòu)，傳熱過(guò)程是固體和孔隙的復(fù)雜料，由于它們具有多孔性結(jié)構(gòu)，傳熱過(guò)程是固體和孔隙的復(fù)雜傳熱過(guò)程，其機(jī)理復(fù)雜。傳熱過(guò)程，其機(jī)理復(fù)雜。 為了工程計(jì)算的方便，常常把整個(gè)過(guò)程當(dāng)作單純的導(dǎo)熱為了工程計(jì)算的方便，常常把整個(gè)過(guò)程當(dāng)作單純的導(dǎo)熱過(guò)程處理。過(guò)程處理。 二二基本原理基本原理 實(shí)驗(yàn)時(shí)，在直徑為實(shí)驗(yàn)時(shí)，在直徑為 d1 和和 d2 的兩個(gè)同心圓球的圓

5、殼之間均勻的兩個(gè)同心圓球的圓殼之間均勻地填充被測(cè)材料（可為粉狀、粒狀或纖維狀），在內(nèi)球中則裝有球形地填充被測(cè)材料（可為粉狀、粒狀或纖維狀），在內(nèi)球中則裝有球形電爐加熱器。當(dāng)加熱時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，球壁導(dǎo)熱儀將達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，電爐加熱器。當(dāng)加熱時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，球壁導(dǎo)熱儀將達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，內(nèi)外壁面溫度分別恒為內(nèi)外壁面溫度分別恒為 t1 和和 t2 。根據(jù)這種狀態(tài)，可以推導(dǎo)出導(dǎo)熱系。根據(jù)這種狀態(tài)，可以推導(dǎo)出導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)的計(jì)算公式。的計(jì)算公式。二二基本原理基本原理 圓球法測(cè)定絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)是以同心球壁穩(wěn)定導(dǎo)熱規(guī)律作為基礎(chǔ)。在球坐標(biāo)中，考慮到溫度僅隨半徑 r 而變，故是一維穩(wěn)定溫度場(chǎng)導(dǎo)熱。drdtrdrdtA

6、Q24212142ttrrdtrdtq 根據(jù)傅立葉定理，經(jīng)過(guò)物體的熱流量有如下的關(guān)系： （44-1）式中： Q 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)球面的熱流量，W ； 絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m ； dt/dr 溫度梯度，/m ； A 球面面積，A = 4r2，m2 。 對(duì)（44 -1）式進(jìn)行分離變量，并根據(jù)上述條件取定積分得 （44 - 2）二二基本原理基本原理Qddttd d()()2112122 其中：r1、r2分別為內(nèi)球外半徑和外球內(nèi)半徑。積分得： （44-3） 其中：Q為球形電爐提供的熱量。只要測(cè)出該熱量，即可計(jì)算出所測(cè)隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)。 事實(shí)上，由于給出的是隔熱材料在平均溫度 tm =（t1+t2）

7、/2時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)。因此，在實(shí)驗(yàn)中只要保持溫度場(chǎng)穩(wěn)定，測(cè)出球徑d1和d2 ，熱量Q以及內(nèi)外球面溫度即可計(jì)算出平均溫度tm下隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)。改變 t1 和 t2 ，則可得到導(dǎo)熱系數(shù)與溫度關(guān)系的曲線(xiàn)。二二基本原理基本原理三實(shí)驗(yàn)器材 實(shí)驗(yàn)裝置圖如44 1所示。主要部件是兩個(gè)銅制同心球殼1、2 ，球殼之間均勻填充被測(cè)隔熱材料，內(nèi)殼中裝有電熱絲繞成的球形電爐加熱器3 . 銅康銅熱電偶二支（測(cè)外殼壁溫度），鎳鉻鎳鋁熱電偶兩支（測(cè)內(nèi)殼壁溫度）；均焊接在殼壁上。通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)將熱電偶信號(hào)傳遞到電位差計(jì)，由電位差計(jì)檢測(cè)出內(nèi)外壁溫度。 外界電源通過(guò)穩(wěn)壓器后輸出穩(wěn)壓電源，經(jīng)調(diào)壓器供給球形電爐加熱器一個(gè)恒定的功率。用

8、電流表和電壓表分別測(cè)量通過(guò)加熱器的電流和電壓。圖44-1 球壁導(dǎo)熱儀實(shí)驗(yàn)裝置 1.內(nèi)球殼 2.外球殼 3.電加熱器 4.熱電偶熱端 5.轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) 6.熱電偶冷端 7.電位差計(jì) 8.調(diào)壓器 9.電壓表 10.電流表 11.絕熱材料四測(cè)試步驟四測(cè)試步驟 1.將被測(cè)絕熱材料放置在烘箱中干燥，然后均勻地裝入球殼的夾層將被測(cè)絕熱材料放置在烘箱中干燥，然后均勻地裝入球殼的夾層之中。之中。 2.按圖按圖44-1安裝儀器儀表并連接導(dǎo)線(xiàn)，注意確保球體嚴(yán)格同心。安裝儀器儀表并連接導(dǎo)線(xiàn)，注意確保球體嚴(yán)格同心。檢查連線(xiàn)無(wú)誤后通電，使測(cè)試儀溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（約檢查連線(xiàn)無(wú)誤后通電，使測(cè)試儀溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（約34小時(shí)）。

9、小時(shí)）。 3.用溫度計(jì)測(cè)出熱電偶冷端的溫度用溫度計(jì)測(cè)出熱電偶冷端的溫度t0。 4.每間隔每間隔510分鐘測(cè)定一組溫度數(shù)據(jù)（內(nèi)上、內(nèi)下、外上、外分鐘測(cè)定一組溫度數(shù)據(jù)（內(nèi)上、內(nèi)下、外上、外下）。讀數(shù)應(yīng)保證各相應(yīng)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化（實(shí)驗(yàn)中以電位差計(jì)顯下）。讀數(shù)應(yīng)保證各相應(yīng)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化（實(shí)驗(yàn)中以電位差計(jì)顯示變化小于示變化小于0.02 mv為準(zhǔn)），溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)再記錄。共測(cè)試為準(zhǔn)），溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)再記錄。共測(cè)試3組，組，取其平均值。取其平均值。 5.測(cè)定并繪制絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)和溫度之間的關(guān)系測(cè)定并繪制絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)和溫度之間的關(guān)系 6.關(guān)閉電源，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。關(guān)閉電源，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。五數(shù)

10、據(jù)處理五數(shù)據(jù)處理 1. 測(cè)定數(shù)據(jù)記錄測(cè)定數(shù)據(jù)記錄 將有關(guān)原始數(shù)據(jù)和測(cè)定結(jié)果記入表將有關(guān)原始數(shù)據(jù)和測(cè)定結(jié)果記入表44-1中。中。表44-1 測(cè)定數(shù)據(jù)記錄測(cè) 定 項(xiàng) 目 123平均值 電 流 I（A） 電 壓 V（V） 內(nèi)球表面熱電偶的熱電勢(shì)（mv） 上 下 外球表面熱電偶的熱電勢(shì)（mv）上 下 材料名稱(chēng)填充密度 = kg/m3 內(nèi)球殼外徑 d1= cm 外球殼內(nèi)徑 d2 = cm 冷端溫度 t0 = 五數(shù)據(jù)處理五數(shù)據(jù)處理 2. 絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算 (1):平均溫度的校正平均溫度的校正 根據(jù)冷端根據(jù)冷端t0及測(cè)點(diǎn)平均溫度及測(cè)點(diǎn)平均溫度t可查得冷端可查得冷端電勢(shì)電勢(shì)E( t0,

11、 0 )，結(jié)合原始數(shù)據(jù)中各測(cè)點(diǎn)的平，結(jié)合原始數(shù)據(jù)中各測(cè)點(diǎn)的平均電勢(shì)均電勢(shì)E( t, t0 )，即可由下式求得，即可由下式求得E ( t, 0 ) ： E( t, 0 ) = E( t , t0 ) + E ( t0, 0 ) （mv） 其中：其中：t 測(cè)點(diǎn)平均溫度，測(cè)點(diǎn)平均溫度， ； t0 冷端溫度，冷端溫度， ； E 熱電勢(shì)，熱電勢(shì)，mv ； 再由再由E( t , 0 )值可查得測(cè)點(diǎn)溫度值可查得測(cè)點(diǎn)溫度t1 、t2 。（2）電加熱器發(fā)熱量計(jì)算）電加熱器發(fā)熱量計(jì)算 Q = V I 其中：其中：Q 單位時(shí)間內(nèi)發(fā)熱量，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)熱量，W ； V 電加熱器電壓，電加熱器電壓，V ； I 電加熱器電

12、流，電加熱器電流，A 。（3）絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算）絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算 用（用（44 - 3）式計(jì)算材料的導(dǎo)熱系數(shù)）式計(jì)算材料的導(dǎo)熱系數(shù)。即即 五數(shù)據(jù)處理五數(shù)據(jù)處理 Qddttd d()()21121223. 確定被測(cè)材料導(dǎo)熱系數(shù)和溫度的關(guān)系，并繪制出確定被測(cè)材料導(dǎo)熱系數(shù)和溫度的關(guān)系，并繪制出 t曲線(xiàn)曲線(xiàn) 由于此實(shí)驗(yàn)達(dá)到熱穩(wěn)定所需時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法在一個(gè)單元由于此實(shí)驗(yàn)達(dá)到熱穩(wěn)定所需時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法在一個(gè)單元時(shí)間內(nèi)進(jìn)行不同溫度下的多組測(cè)量，現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)室在不同溫度下的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行不同溫度下的多組測(cè)量，現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)室在不同溫度下的實(shí)測(cè)結(jié)果列于下表，請(qǐng)完成計(jì)算，將結(jié)果列入表中，并畫(huà)出實(shí)測(cè)結(jié)果列于下表，請(qǐng)完成計(jì)

13、算，將結(jié)果列入表中，并畫(huà)出 t曲線(xiàn)曲線(xiàn) 。 在球壁導(dǎo)熱儀的夾層中均勻地裝入已烘干的玻璃纖維，在球壁導(dǎo)熱儀的夾層中均勻地裝入已烘干的玻璃纖維，內(nèi)球外徑內(nèi)球外徑d1 = 105 mm，外球內(nèi)徑，外球內(nèi)徑d2 = 151 mm。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如下：如下： 五數(shù)據(jù)處理五數(shù)據(jù)處理 表表44-2 絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù) 測(cè)量序號(hào) 內(nèi)球壁平均熱電勢(shì)(mv)外球壁平均熱電勢(shì)(mv) 室溫( )內(nèi)球壁溫( )外球壁溫( )電流(A )電壓(V )平均溫度( )導(dǎo)熱系數(shù)(W/m )13.99 1.158 24.8 0.78 15.8 24.23 1.082 23.5 0.81 16.

14、05 34.23 1.083 25.0 0.82 16.0544.57 1.181 25.00.85 17.1 55.45 1.159 22.0 0.94 18.566.01 1.622 19.0 1.04 20.276.43 1.554 23.5 1.1121.587.17 1.881 23.5 1.1823.097.66 2.010 23.5 1.2224.1107.76 2.122 23.5 1.23 24.4118.00 2.227 23.5 1.3025.3128.97 2.381 23.5 1.3727.5. 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平壁導(dǎo)熱測(cè)定準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平壁導(dǎo)熱測(cè)定法法 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定方法需要較長(zhǎng)

15、的穩(wěn)定加熱時(shí)間，所穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定方法需要較長(zhǎng)的穩(wěn)定加熱時(shí)間，所以只能測(cè)定干燥材料的導(dǎo)熱系數(shù)。對(duì)于工程上實(shí)際應(yīng)用的含以只能測(cè)定干燥材料的導(dǎo)熱系數(shù)。對(duì)于工程上實(shí)際應(yīng)用的含有一定水分材料的導(dǎo)熱系數(shù)則無(wú)法測(cè)定?；诓环€(wěn)定態(tài)原理有一定水分材料的導(dǎo)熱系數(shù)則無(wú)法測(cè)定?；诓环€(wěn)定態(tài)原理的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定方法，由于測(cè)定所需時(shí)間短（的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定方法，由于測(cè)定所需時(shí)間短（1020分鐘），可以彌補(bǔ)上述穩(wěn)態(tài)方法的不足且可同時(shí)測(cè)出材料分鐘），可以彌補(bǔ)上述穩(wěn)態(tài)方法的不足且可同時(shí)測(cè)出材料的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、比熱，所以在材料熱物性測(cè)定中得的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、比熱，所以在材料熱物性測(cè)定中得到廣泛的應(yīng)用。到廣泛的

16、應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)的目的： 1加深對(duì)準(zhǔn)穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程基本理論的理解。 2學(xué)習(xí)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測(cè)量隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容的方法，并進(jìn)行導(dǎo)溫系數(shù)計(jì)算。 3掌握使用熱電偶測(cè)量溫差的方法。 . 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平壁導(dǎo)熱測(cè)定法 不穩(wěn)定導(dǎo)熱的過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是加熱或冷卻的過(guò)程。非穩(wěn)態(tài)法測(cè)不穩(wěn)定導(dǎo)熱的過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是加熱或冷卻的過(guò)程。非穩(wěn)態(tài)法測(cè)定隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)是建立在不穩(wěn)定導(dǎo)熱理論基礎(chǔ)上的。根據(jù)不定隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)是建立在不穩(wěn)定導(dǎo)熱理論基礎(chǔ)上的。根據(jù)不穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程的不同階段的規(guī)律而建立起來(lái)的測(cè)試方法有正規(guī)工況穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程的不同階段的規(guī)律而建立起來(lái)的測(cè)試方法有正規(guī)工況法、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法和熱線(xiàn)法。法、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法和熱線(xiàn)法。 與穩(wěn)態(tài)法相比，這

17、些方法具有對(duì)熱源的選擇上要求較低、所與穩(wěn)態(tài)法相比，這些方法具有對(duì)熱源的選擇上要求較低、所需的測(cè)定時(shí)間短（不需要熱穩(wěn)定時(shí)間），并可降低對(duì)試樣的保溫要需的測(cè)定時(shí)間短（不需要熱穩(wěn)定時(shí)間），并可降低對(duì)試樣的保溫要求等優(yōu)點(diǎn)。不足之處在于很難保證實(shí)驗(yàn)中的邊界條件與理論分析中求等優(yōu)點(diǎn)。不足之處在于很難保證實(shí)驗(yàn)中的邊界條件與理論分析中給定的邊界條件相一致，且難以精確獲得所要求的溫度變化規(guī)律。給定的邊界條件相一致，且難以精確獲得所要求的溫度變化規(guī)律。但由于該法的實(shí)用價(jià)值，且已廣泛地應(yīng)用于工程材料的測(cè)試上，特但由于該法的實(shí)用價(jià)值，且已廣泛地應(yīng)用于工程材料的測(cè)試上，特別是在高溫、低溫或伴隨內(nèi)部物質(zhì)傳遞過(guò)程時(shí)的材料熱

18、物性測(cè)試中別是在高溫、低溫或伴隨內(nèi)部物質(zhì)傳遞過(guò)程時(shí)的材料熱物性測(cè)試中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。具有顯著的優(yōu)勢(shì)。. 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平壁導(dǎo)熱測(cè)定法 本實(shí)驗(yàn)采用的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法是根據(jù)第本實(shí)驗(yàn)采用的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法是根據(jù)第二類(lèi)邊界條件、無(wú)限大平壁的導(dǎo)熱二類(lèi)邊界條件、無(wú)限大平壁的導(dǎo)熱問(wèn)題設(shè)計(jì)的。如圖問(wèn)題設(shè)計(jì)的。如圖44-2所示，若平所示，若平壁厚度為壁厚度為2，初始溫度為，初始溫度為t0，當(dāng)平，當(dāng)平壁表面維持恒定的熱流密度壁表面維持恒定的熱流密度q時(shí)，在時(shí)，在經(jīng)過(guò)一段加熱時(shí)間，即當(dāng)滿(mǎn)足傅立經(jīng)過(guò)一段加熱時(shí)間，即當(dāng)滿(mǎn)足傅立葉準(zhǔn)數(shù)葉準(zhǔn)數(shù)Fo（=/2）以后，由導(dǎo)）以后，由導(dǎo)熱微分方程可解得：熱微分方程可解得： （44-4） 22021)2(2

19、yKKKFq圖44-2 第二類(lèi)邊界條件無(wú)限大 平板導(dǎo)熱的物理模型 式中，= t t0 是過(guò)余溫度；K為常數(shù)，對(duì)無(wú)限大平壁K取1，對(duì)無(wú)限大圓柱和球體則分別取2和3 。 顯然，式（44-4）表明當(dāng)F0 后，平壁內(nèi)各點(diǎn)的溫度按線(xiàn)性規(guī)律隨時(shí)間而變化，溫度的變化速率與壁面恒定熱流密度有關(guān)。這種非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱工況即準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況。如果在坐標(biāo)為y1和y2的兩個(gè)規(guī)定點(diǎn)上求出同一時(shí)刻的過(guò)余溫度1和2 ，則此兩點(diǎn)的過(guò)余溫度差為： （44-5） )(222212121yyqttt 從而導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算式為 （44-6） 則對(duì)應(yīng)于上圖y1 = 和y2 = 0兩處的溫度，式（44-6）變?yōu)?（44-7） 此即準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平壁法測(cè)定隔熱材

20、料導(dǎo)熱系數(shù)的基本公式，即只要知道了平壁表面熱流密度Q及任意兩點(diǎn)的溫度差t就可以算出被測(cè)試件的導(dǎo)熱系數(shù)。tyyq2)(2221tqtq222 由于由于F。 后試件內(nèi)部任一點(diǎn)的升溫速率后試件內(nèi)部任一點(diǎn)的升溫速率dt/d為常數(shù)，且對(duì)各點(diǎn)都相等，故若在試樣的為常數(shù)，且對(duì)各點(diǎn)都相等，故若在試樣的中心點(diǎn)處測(cè)得時(shí)刻為了中心點(diǎn)處測(cè)得時(shí)刻為了1和和2時(shí)的溫度分別為時(shí)的溫度分別為t1和和t2，則由（，則由（44-4）式可得）式可得 （44-8） 從而得到隔熱材料的比熱容計(jì)算式為從而得到隔熱材料的比熱容計(jì)算式為 （44-9） )()(1212221cqaqtt)(/ )(1212ttqc 此外，知道了材料的導(dǎo)熱系數(shù)

21、此外，知道了材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容和比熱容c，即可計(jì)算出材料的導(dǎo)，即可計(jì)算出材料的導(dǎo)溫系數(shù)溫系數(shù) a /c （44-10） 需要注意的是為了保證測(cè)量時(shí)加熱熱流恒定，應(yīng)采用經(jīng)電子需要注意的是為了保證測(cè)量時(shí)加熱熱流恒定，應(yīng)采用經(jīng)電子穩(wěn)壓器后的直流電直接加熱。同時(shí)，為了滿(mǎn)足準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況，應(yīng)連續(xù)穩(wěn)壓器后的直流電直接加熱。同時(shí)，為了滿(mǎn)足準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況，應(yīng)連續(xù)觀察兩對(duì)熱電偶給出的溫度變化曲線(xiàn)（采用溫度自動(dòng)記錄儀），只觀察兩對(duì)熱電偶給出的溫度變化曲線(xiàn)（采用溫度自動(dòng)記錄儀），只有當(dāng)兩條曲線(xiàn)呈直線(xiàn)變化且相互平行，試件進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱工況時(shí)有當(dāng)兩條曲線(xiàn)呈直線(xiàn)變化且相互平行，試件進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱工況時(shí)才可進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。才可進(jìn)

22、行數(shù)據(jù)記錄。三三.實(shí)驗(yàn)器材實(shí)驗(yàn)器材 如圖如圖44-3所示，將四塊尺寸完全相所示，將四塊尺寸完全相同的被測(cè)試件（要求試件的橫向尺寸為同的被測(cè)試件（要求試件的橫向尺寸為單塊試件厚度單塊試件厚度的六倍以上）疊放在一起，的六倍以上）疊放在一起，在在1、2試件和試件和3、4試件間各裝人一個(gè)同試件間各裝人一個(gè)同樣的薄形加熱器（加熱器的熱容量應(yīng)很樣的薄形加熱器（加熱器的熱容量應(yīng)很小可忽略）。在第小可忽略）。在第2、3試件交界面中心試件交界面中心 及一個(gè)薄形加熱器中心各安裝一對(duì)熱電及一個(gè)薄形加熱器中心各安裝一對(duì)熱電偶，并分別接到溫度自動(dòng)記錄儀上。在偶，并分別接到溫度自動(dòng)記錄儀上。在四塊重疊在一起的試件的頂面和

23、底面上四塊重疊在一起的試件的頂面和底面上分別加上隔熱性能優(yōu)良的保溫層并用機(jī)分別加上隔熱性能優(yōu)良的保溫層并用機(jī)械方法將其均勻地壓緊。械方法將其均勻地壓緊。圖44-3 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板測(cè)試裝置保護(hù)層 ；2被測(cè)試件；3薄形加熱器； 4熱電偶四四.測(cè)定步驟測(cè)定步驟 6通過(guò)溫度自動(dòng)記錄儀連續(xù)觀察兩對(duì)熱電偶給出的溫 度變化曲線(xiàn)，當(dāng)兩條曲線(xiàn)呈直線(xiàn)變化且相互平行時(shí)（根據(jù)被測(cè)材料不同，一般在1020分鐘）表明系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱工況，此時(shí)的溫差即（44-7）式中t。 記下t（或熱電偶熱電勢(shì)）、電流值I及時(shí)間1、2 。 7.切斷電源，取下試件及加熱器，一切恢復(fù)原狀。 需要注意，若實(shí)驗(yàn)中途失敗，需待試件冷卻至室溫后（4小時(shí)

24、以上）才能進(jìn)行再次實(shí)驗(yàn)。 （1）平均溫度的校正）平均溫度的校正 E（t ，0） E（t，t0） E（t。，。，0） （mV） （44-11） （2）計(jì)算熱流密度）計(jì)算熱流密度q，計(jì)算式為，計(jì)算式為 （44-12）（3）計(jì)算各物性參數(shù)）計(jì)算各物性參數(shù) 用（用（44 - 7 ）式計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)，用（）式計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)，用（44 - 9 ）式計(jì)算）式計(jì)算比熱容，用（比熱容，用（44 - 10 ）式計(jì)算導(dǎo)溫系數(shù)。）式計(jì)算導(dǎo)溫系數(shù)。ARIAQq2表表44-3 熱電偶電勢(shì)記錄（熱電偶電勢(shì)記錄（mV）序號(hào)序號(hào) 加熱中心加熱中心試件中心試件中心1 2123456試件材料名稱(chēng)試件材料名稱(chēng)試件材料密度試件材料密度 =

25、 kgm 試件厚度試件厚度 = m 試件截面積試件截面積A = m2 冷端溫度冷端溫度t0 = 加熱器電流加熱器電流I = A 加熱器電阻加熱器電阻R = （ 為兩加熱器電阻的平均值為兩加熱器電阻的平均值 ） 上述的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平壁導(dǎo)熱測(cè)定原理是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱原理的一上述的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平壁導(dǎo)熱測(cè)定原理是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱原理的一個(gè)特例。表明系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱工況是當(dāng)兩條曲線(xiàn)呈直線(xiàn)變個(gè)特例。表明系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱工況是當(dāng)兩條曲線(xiàn)呈直線(xiàn)變化且相互平行，溫度隨時(shí)間變化為常數(shù)。在實(shí)際測(cè)定中，難以化且相互平行，溫度隨時(shí)間變化為常數(shù)。在實(shí)際測(cè)定中，難以精確實(shí)現(xiàn)此狀態(tài)，至使導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定出現(xiàn)一些誤差。非穩(wěn)態(tài)精確實(shí)現(xiàn)此狀態(tài)，至使導(dǎo)熱

26、系數(shù)的測(cè)定出現(xiàn)一些誤差。非穩(wěn)態(tài)平壁導(dǎo)熱測(cè)定法則無(wú)此限定。平壁導(dǎo)熱測(cè)定法則無(wú)此限定。本實(shí)驗(yàn)的目的：本實(shí)驗(yàn)的目的： 1加深對(duì)非穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程基本理論的理解。加深對(duì)非穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程基本理論的理解。 2學(xué)習(xí)非穩(wěn)態(tài)法快速測(cè)量隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)和學(xué)習(xí)非穩(wěn)態(tài)法快速測(cè)量隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)和比熱的方法。比熱的方法。 3掌握使用熱電偶測(cè)量溫差的方法。掌握使用熱電偶測(cè)量溫差的方法。 本實(shí)驗(yàn)采用熱脈沖法。在實(shí)驗(yàn)中對(duì)試樣進(jìn)行短時(shí)間加熱，使實(shí)本實(shí)驗(yàn)采用熱脈沖法。在實(shí)驗(yàn)中對(duì)試樣進(jìn)行短時(shí)間加熱，使實(shí)驗(yàn)材料的溫度發(fā)生變化，根據(jù)其變化的特點(diǎn)，通過(guò)解導(dǎo)熱微分方程的，驗(yàn)材料的溫度發(fā)生變化，根據(jù)其變化的特點(diǎn)，通過(guò)解

27、導(dǎo)熱微分方程的，就可求試驗(yàn)材料的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)和比熱。就可求試驗(yàn)材料的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)和比熱。 根據(jù)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱原理，對(duì)于無(wú)限大的物體，其一維非穩(wěn)定導(dǎo)熱根據(jù)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱原理，對(duì)于無(wú)限大的物體，其一維非穩(wěn)定導(dǎo)熱微分方程是微分方程是 假定初始時(shí)間假定初始時(shí)間= 0 時(shí)，溫度時(shí)，溫度t = t0 = 常數(shù)。引入過(guò)余溫度常數(shù)。引入過(guò)余溫度之后，上式可改寫(xiě)為之后，上式可改寫(xiě)為 （44-13） 22xtt22x可以驗(yàn)證一維不穩(wěn)定導(dǎo)熱微分方程的一個(gè)特解為 （44-14）式中： q 熱流密度 ，W/m2 ； a 物體的導(dǎo)溫系數(shù) , m2/h ； x 離開(kāi)熱源距離 ,m ； c 物體的比熱，KJ/ m3. ；

28、 _ 物體的容重，kg/m3 ； 熱脈沖加熱時(shí)間 ,h 。 axeacqx422),( 在熱脈沖加熱時(shí)間0之間的任一時(shí)刻， 實(shí)驗(yàn)材料的溫度升高為 令 得 )2(22),(44022axerfcaxeaqdeacqxaxax)()2(2)(224yerfcyeaxerfcaxeyByax)(),(yBaqx 式中，式中， （44-17） 高斯誤差補(bǔ)函數(shù)高斯誤差補(bǔ)函數(shù) 在加熱停止后的某一時(shí)刻在加熱停止后的某一時(shí)刻2 ，在熱源，在熱源面（面（x = 0）上的溫度升高為）上的溫度升高為 （44-18）axy2dyeyerfcyy22)()(22), 0(1220022122aqdacqdacq 由此得

29、到導(dǎo)熱系數(shù)由此得到導(dǎo)熱系數(shù) （44-19） 式中式中 q = I2 R / s 。（。（44-19）是熱脈沖法測(cè)物體導(dǎo)）是熱脈沖法測(cè)物體導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算公式。熱系數(shù)的計(jì)算公式。 將（將（44-19）代入（）代入（44-16）得）得 （44-20） 式中的各項(xiàng)均能在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量出來(lái)，因此可以計(jì)算式中的各項(xiàng)均能在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量出來(lái)，因此可以計(jì)算出出B(y)函數(shù)的值。根據(jù)該函數(shù)的值可從表函數(shù)的值。根據(jù)該函數(shù)的值可從表44 - 4上查出自變量上查出自變量y2的值。的值。 ), 0()(22122aq), 0()(),()(22122xyB 由于由于 ，所以導(dǎo)溫系數(shù)的計(jì)算，所以導(dǎo)溫系數(shù)的計(jì)算公式是公式是

30、 （44-21）比熱的計(jì)算公式是比熱的計(jì)算公式是 （44 - 22） axy422224yxaac 三實(shí)驗(yàn)器材三實(shí)驗(yàn)器材 平板導(dǎo)熱儀主要由放置試件的夾具及試件臺(tái)、加熱系統(tǒng)和溫度測(cè)量系統(tǒng)三部分組成。如圖4所示。圖4 DRM1導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀1WYJ-A電源 熱電偶開(kāi)關(guān)檢流計(jì) 電位差計(jì) 試件臺(tái)四測(cè)定步驟四測(cè)定步驟 試樣要求 試件為板狀，以3塊為一組，其中兩塊厚板（尺寸為2020（3）cm3 ）；一塊薄板（尺寸為2020（610）cm3 ）。 一組試件必須為同一配比，其容重差小于5 % 。 試件厚度應(yīng)均勻，兩表面應(yīng)平行。各試件的接觸面應(yīng)平整且結(jié)合緊密。這樣可以避免形成孔隙而受空氣的影響。 粉狀材料用圍

31、框的辦法，并按上述要求處理。 考慮材料的不均勻性，每種材料應(yīng)取樣35組。 用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣的長(zhǎng)、寬和高，精確到0.1 m m 。 試件容重的計(jì)算 試件容重按下式進(jìn)行算 = G / V 式中， G 試樣的質(zhì)量，kg ； V 試件的體積，m3 。2.試樣尺寸的測(cè)定與計(jì)算 測(cè)試前的準(zhǔn)備工作測(cè)試前的準(zhǔn)備工作 測(cè)量步驟測(cè)量步驟 1. 按實(shí)驗(yàn)要求把試樣放在樣品架上（如圖44 - 5所示）。在薄試件的下部放上加熱板及下部熱電偶；在薄試件的上部放上上部熱電偶。注意熱電偶一定要放在試件的中心位置。熱電偶的冷端放在冰瓶?jī)?nèi)。 2. 電位差計(jì)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)放在未知1，測(cè)出試件的上、下部的初始溫度，要求溫差小于（0.1）時(shí)實(shí)驗(yàn)方可繼續(xù)進(jìn)行。圖圖5 試樣放置方法試樣放置方法厚試件厚試件 薄試件薄試件 冷面熱電偶冷面熱電偶熱面熱電偶熱面熱電偶 加熱器加熱器 厚試件厚試件 3. 上部熱電偶的初始熱電勢(shì)預(yù)先加，打開(kāi)加熱開(kāi)關(guān)開(kāi)始加熱，同時(shí)用秒表計(jì)時(shí)。當(dāng)光點(diǎn)檢流計(jì)的光點(diǎn)回到零位時(shí)，關(guān)閉加熱電源。得到上部的過(guò)余溫度及加熱時(shí)間。 4. 過(guò)45分鐘后測(cè)出下部熱電偶的熱電勢(shì)，得到下部的過(guò)余溫度及時(shí)間。 5. 電位差計(jì)轉(zhuǎn)換