導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定方法

導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定方法導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法導(dǎo)熱系數(shù)（又稱(chēng)熱導(dǎo)率）是反映材料熱傳導(dǎo)性質(zhì)的物理量，表示材料導(dǎo)熱能力的大小。某種材料的導(dǎo)熱系數(shù)不僅與構(gòu)成材料的物質(zhì)種類(lèi)密切相關(guān)，而且還與它的微觀結(jié)構(gòu)、溫度、壓力及雜質(zhì)含量有關(guān)。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)中，所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)都需要用實(shí)驗(yàn)的方法精確測(cè)定。不穩(wěn)定溫度場(chǎng):溫度場(chǎng)內(nèi)如果各點(diǎn)溫度隨時(shí)間而改變

穩(wěn)定溫度場(chǎng):溫度不隨時(shí)間而改變等溫面：溫度場(chǎng)中同一時(shí)刻相同溫度各點(diǎn)組成的面。

因?yàn)榭臻g同一點(diǎn)不能同時(shí)具有兩個(gè)不同的溫度，所以不同的等溫面彼此不能相交。t1t2t1>t2等溫面Q溫度場(chǎng)t+tt-ttnQdA

溫度梯度是一個(gè)點(diǎn)的概念。溫度梯度是一個(gè)向量。

方向垂直于該點(diǎn)所在等溫面，以溫度增的方向?yàn)檎郎囟忍荻龋簻囟葓?chǎng)中，某一點(diǎn)等溫面法線方向上的溫度變化率。

λ---導(dǎo)熱率/導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）或W/（m·℃）,

越大，導(dǎo)熱性能越好；

A---導(dǎo)熱面積，m2；

dt/dx---負(fù)值(溫度降低的方向)，K/

m或

℃/m

）

Q---導(dǎo)熱速率，正值，W，J/s；傅立葉定律—熱傳導(dǎo)的基本定律傅立葉定律：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量Q與溫度梯度dt/dx及垂直于熱量方向的導(dǎo)熱面積A成正比。即：

Q=-λAdt/dx式中加負(fù)號(hào)--熱流方向與溫度梯度的方向相反。導(dǎo)熱率（導(dǎo)熱系數(shù)）由傅立葉定律

影響λ的因素很多，主要是物質(zhì)的種類(lèi)(固、液、氣)和溫度。

λ—當(dāng)溫度梯度為1時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位導(dǎo)熱面積的熱量。λ的大小表征物質(zhì)的導(dǎo)熱能力，是物質(zhì)的一個(gè)重要的物性參數(shù)(和ρ，λ，μ一樣).c.

金屬的純度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響很大如：含碳為1%的普通碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為45W/m·K，不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)僅為15

W/m·K。a.在所有固體中，金屬是最好的導(dǎo)熱體。1.固體的導(dǎo)熱系數(shù)

δ.一般，T↑，λ純金屬↓表4-1常用固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)固體溫度，℃導(dǎo)熱系數(shù)，λ

(W/m·K)鋁300230銅100377熟鐵1861鑄鐵5348銀100412鋼(1%C)1845不銹鋼2016石墨0151石棉板500.17石棉0～1000.15耐火磚

1.04保溫磚0～1000.12～0.21建筑磚200.69絨毛毯0～1000.047棉毛300.050玻璃301.09軟木300.043最大

金屬液體－導(dǎo)熱系數(shù)λ較高液體非金屬液體－導(dǎo)熱系數(shù)λ較低c.一般來(lái)說(shuō)，λ溶液<λ純液體。a.在非金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。2.液體的導(dǎo)熱系數(shù)δ.絕大多數(shù)液體（除水和甘油）：T↑，λ液↓表4-2液體的導(dǎo)熱系數(shù)液體溫度，℃導(dǎo)熱系數(shù)，λ

W/m·K

醋酸50%200.35苯300.16氯化鈣鹽水30%300.55乙醇80%200.24甘油60%200.38甘油40%200.45正庚烷300.14水銀288.36硫酸90%300.36硫酸60%300.43水300.62最大δ.在通常的壓力范圍內(nèi),其導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力變化很小.c.氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小,故對(duì)導(dǎo)熱不利,但對(duì)保溫有利。3.氣體的導(dǎo)熱系數(shù)a.通常，T↑，λ氣↓在壓力大于200MPa時(shí)

p↑，λ氣

↑壓力小于2.7kPa(20mmHg)時(shí)故工程計(jì)算中常可忽略壓力對(duì)氣體導(dǎo)熱系數(shù)的影響。表4-3氣體的導(dǎo)熱系數(shù)氣體溫度，℃導(dǎo)熱系數(shù),λ

W/m·K

氫00.17二氧化碳00.015空氣00.024空氣1000.031甲烷00.029水蒸汽1000.025氮00.024乙烯00.017氧00.024乙烷00.018最大

總體：λ固＞λ液＞λ氣4.絕熱材料的導(dǎo)熱率λ絕熱材料:與溫度、濕度、組成及結(jié)構(gòu)的緊密程度有關(guān)。特點(diǎn)：纖維狀，多孔結(jié)構(gòu)----孔隙空氣λ小ρ小，空氣多----密度小到一定值，孔隙尺寸越長(zhǎng)，空氣對(duì)流和熱輻射傳熱作用增強(qiáng)，λ增大。所以，存在最佳密度，使λ最小。吸水---λ增大，保溫性能變差，所以，要防水。

λ—物質(zhì)在溫度為t℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃；

大多數(shù)均質(zhì)的材料，其導(dǎo)熱系數(shù)與溫度近似成直線關(guān)系，可用下式表示λ=λ0(1+at)a—溫度系數(shù)，對(duì)大多數(shù)金屬材料為負(fù)值，而對(duì)大多數(shù)非金屬為正值，1/℃。λ0—物質(zhì)在0℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃；穩(wěn)態(tài)法平板法熱流計(jì)法非穩(wěn)態(tài)法瞬態(tài)熱線法瞬態(tài)平面熱源法探針?lè)す夥?ωq:327870170tel熱系數(shù)的測(cè)量方法穩(wěn)態(tài)法

1.通過(guò)平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)1.1通過(guò)單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假設(shè)：(1)A大，δ?。?2)材料均勻—λ為常數(shù)；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時(shí)間變化。t1t2δtxdxQxQx+dx則：當(dāng)x=0時(shí)，t=t1x=δ時(shí)，t=t2

若平壁側(cè)面的溫度t1及t2恒定，——邊界條件根據(jù)傅立葉定律

分離變量后積分（設(shè)不隨t而變）

得或式中Q─熱流量或傳熱速率，W或J/s；

A─平壁的面積，m2；

δ─平壁的厚度，m；─平壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

t1,t2─平壁兩側(cè)的溫度，℃?！居懻摗浚?/p>

1．可表示為推動(dòng)力：熱阻：例1-1現(xiàn)有一厚度為240mm的磚壁，內(nèi)壁溫度為600℃，外壁溫度為150℃。試求通過(guò)每平方米磚壁的熱量。已知該溫度范圍內(nèi)磚壁的平均導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.6W/m·℃。

=0.60×(600-150)/0.24=1125W/m2解：球體法實(shí)驗(yàn)儀器球壁導(dǎo)熱儀適用材料用于測(cè)定粉狀、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)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。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在直徑為d1

和d2

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t1

和t2

。根據(jù)這種狀態(tài)，可以推導(dǎo)出導(dǎo)熱系數(shù)λ的計(jì)算公式。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

；

λ

──

絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃

；dt/dx—

溫度梯度，℃/m

；A──

球面面積，A=4πr2，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）

Q=-λAdt/dx

假定導(dǎo)熱系數(shù)λ為常數(shù)，在圓筒壁的內(nèi)半徑r1和外半徑r2間進(jìn)行積分分離變量得移項(xiàng)，得

r

dr

r2t1r1

dtt2t圖4-11單層平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)

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λ是隔熱材料在平均溫度tm=（t1+t2）/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。1.球壁導(dǎo)熱儀

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3.2.熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)

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。3.電加熱系統(tǒng)

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

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之中。2.按圖44-1安