《傳熱學(xué)》試驗(yàn)平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)

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《傳熱學(xué)》試驗(yàn)一：

準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)

一、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

1．快速測(cè)量絕熱材料（不良導(dǎo)體）的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱，把握其測(cè)試原理和方法。

2．把握使用熱電偶測(cè)量溫差的方法。

二、試驗(yàn)原理

本試驗(yàn)是根據(jù)其次類(lèi)邊界條件，無(wú)限大平板的導(dǎo)熱問(wèn)題來(lái)設(shè)計(jì)的。

設(shè)平板厚度為2?，初始溫度為t0，平板兩面受恒定的熱流密度qc均勻加熱（見(jiàn)圖1）。求任何瞬間沿平板厚度方向的溫度分布t?x,??。

導(dǎo)熱微分方程、初始條件和其次類(lèi)邊界條件如下：

?t?x,???2t?x,???a2???x

t?x,0??t0

?t??,??qc??0?x?

?t?0,???0?x圖1

方程的解為：

??qc????2?3x2?n?1?2?x?2t?x,???t0????????1?cos?exp??F?n0??(1)?n?2???6?????n?1n?式中：

?——時(shí)間；

?——平板的導(dǎo)熱系數(shù)；

?——平板的導(dǎo)溫系數(shù)；?n??n?，n?1，，23，a?F0?2——傅里葉準(zhǔn)則；

；

?t0——初始溫度；

qc——沿x方向從端面向平板加熱的恒定熱流密度。

隨著時(shí)間?的延長(zhǎng)，F(xiàn)0數(shù)變大，式（1）中級(jí)數(shù)和項(xiàng)愈小。當(dāng)F0?0.5時(shí)，級(jí)數(shù)和項(xiàng)變得很小，可以忽略，式（1）變成：

qc????x21?t?x,???t0????(2)????22?26?由此可見(jiàn)，當(dāng)F0?0.5后，平板各處溫度和時(shí)間成線(xiàn)性關(guān)系，溫度隨時(shí)間變化的速率是常數(shù)，并且四處一致。這種狀態(tài)稱(chēng)為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。

在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，平板中心面x?0處的溫度為：

q????1?t?0,???t0?c?2??

???6?平板加熱面x??處為：

q??a?1?t??,???t0?c?2??

???3?此兩面的溫差為：

1q??t?t??,???t?0,????c(3)

2?如已知qc和?，再測(cè)出?t，就可以由式（3）求出導(dǎo)熱系數(shù)：

q???c(4)

2?t實(shí)際上，無(wú)限大平板是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，試驗(yàn)中是用有限尺寸的試件。一般可以認(rèn)為，試件的橫向尺寸是厚度的6倍以上時(shí)，兩側(cè)散熱對(duì)試件中心的溫度影響可以忽略不計(jì)。試件兩端面中心處的溫度差就是無(wú)限大平板時(shí)兩端面的溫度差。

根據(jù)熱平衡原理，在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，有以下關(guān)系：

dt(5)qc?F?c?????F?d?式中：

F——試件的橫截面積；c——試件的比熱；ρ——其密度；

dtdt——準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫升速率。試驗(yàn)時(shí)，以試件中心處為準(zhǔn)。

d?d?由式(5)可得比熱：

qcc?

dt????d?按定義，材料的導(dǎo)溫系數(shù)可表示為

????t?2?t???()c?()cm2/s

?cqc??2?t??綜上所述，應(yīng)用恒熱流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)試材料熱物性時(shí)，在一個(gè)試驗(yàn)上可同

時(shí)測(cè)出材料的三個(gè)重要熱物性：導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和導(dǎo)溫系數(shù)。

三、試驗(yàn)裝置

非（準(zhǔn)）穩(wěn)態(tài)法熱物性測(cè)定儀內(nèi)，試驗(yàn)本體由四塊厚度均為?、面積均為F的被測(cè)試材重疊在一起組成。

在第一塊與其次塊試件之間夾著一個(gè)薄型的片狀電加熱器，在第三塊和第四

塊試件之間也夾著一個(gè)一致的電加熱器；在其次塊與第三塊試件交界面中心，一個(gè)電加熱器中心各安置一對(duì)熱電偶；這四塊重疊在一起試件的頂面和底面各加上一塊具有良好保溫特性的絕熱層，并用機(jī)械的方法把它們均勻地壓緊。

電加熱器由直流穩(wěn)壓電源供電，兩對(duì)熱電偶所測(cè)量到的溫度由巡檢儀進(jìn)行采集處理。

1、試件及夾具：試件分為四塊，采用的是200×200毫米的有機(jī)玻璃塊，厚度為8毫米，重量400g。

2、測(cè)量系統(tǒng)：采用高精度的測(cè)溫鉑電阻測(cè)量?jī)x表，用以顯示加熱功率的高精度直流電壓、電流表，以及寬范圍的直流穩(wěn)壓源，熱傳感器采用鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）。

3、加熱部分為200×200毫米的金屬薄膜加熱器，阻值標(biāo)稱(chēng)為100Ω左右，配以0-60V，5A的直流穩(wěn)壓一臺(tái)。

圖2試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)圖

四、試驗(yàn)步驟

1﹑按原理圖接好線(xiàn)路（加熱系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)）；

2、測(cè)試件Ⅱ上下表面的初溫，即t?0,0?和t?x,0?，并記錄；

3、開(kāi)始加熱。調(diào)理加熱電流或電壓，并維持加熱功率為一恒定值。

4、試驗(yàn)測(cè)試。從開(kāi)始加熱時(shí)計(jì)時(shí)，即開(kāi)始加熱的同時(shí)啟動(dòng)秒表，并按每分鐘的間隔時(shí)間，記錄一組試件Ⅱ上下表面的溫度，即t?0,?0?及t?x,?x?，測(cè)溫同時(shí)計(jì)算相對(duì)應(yīng)的上下表面溫差，直到出現(xiàn)連續(xù)6~8組一致的溫差時(shí)，終止試驗(yàn)測(cè)試；

5、功率測(cè)量，因是恒定功率加熱，故不受時(shí)間限制，記錄加熱電流和電壓；6、試驗(yàn)終止，調(diào)理加熱電流或電壓為0，關(guān)閉電源。

五、熱流密度qc的計(jì)算

這里我們雖然用薄片狀電加熱器加熱，但它終究有一定的熱容量，在加熱過(guò)程中，加熱器本身要吸收熱量，且先于試件。因此試件實(shí)際所吸收的熱量必需從電功率中扣除電加熱器吸收的熱量。

根據(jù)試驗(yàn)原理，我們僅研究電加熱器對(duì)中間兩塊試件加熱時(shí)的溫度變化就可

以了，但為了避免因電加熱器向外難以估計(jì)的散熱給qc的計(jì)算帶來(lái)困難，所以在兩加熱器外側(cè)各補(bǔ)上一塊一致厚度的試件并加以保溫，這樣，電加熱器將同等地加熱其兩側(cè)的每塊試材，每塊試件內(nèi)的溫度場(chǎng)對(duì)于電加熱器是對(duì)稱(chēng)的。

兩個(gè)同樣的電加熱器是并聯(lián)（或串聯(lián)）供電的?；谝陨戏治?，試件表面試驗(yàn)所吸收的熱量應(yīng)為：

U?ICh?tqc??()hW/m2

4F2??式中：

U——加熱器的電壓V；I——加熱器的電流A；

F——加熱器（即試件）面積，m2；

Ch＝0.079J/(m2?℃)——加熱器單位面積的比熱容；

(?t?t?t)h?()w?()c——加熱器（也是試件加熱面）的溫度變化率。??????六、試驗(yàn)要求

1．預(yù)習(xí)試驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，弄懂試驗(yàn)原理和試驗(yàn)方法。

2．細(xì)心裝配試材，電加熱器和熱電偶，避免損壞。

3．根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出溫度變化曲線(xiàn)，計(jì)算出試件的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和導(dǎo)溫系數(shù)。

七、試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

試件名稱(chēng)：；試件厚度：mm；試件重量：g；加熱電流：A；加熱電壓：V：試件面積：mm2時(shí)間(min)1234567891011121314151617181920

熱面冷面熱面冷面熱面冷面溫差時(shí)間溫差時(shí)間溫差溫度溫度溫度溫度溫度溫度(℃)(min)(℃)(min)(℃)(℃)(℃)(℃)(℃)(℃)(℃)21412242234324442545264627472848294930