恒熱流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板法測定非金屬材料熱物性參數(shù)

2《工程傳熱學(xué)》試驗(yàn)指導(dǎo)書傳熱學(xué)是一門以試驗(yàn)為根底、效勞工程實(shí)踐的應(yīng)用科學(xué)。試驗(yàn)爭論是進(jìn)展傳熱學(xué)、解決工程問題的重要手段。傳熱試驗(yàn)分為實(shí)物-物理模型試驗(yàn)和計算機(jī)模擬試驗(yàn)。前者又可分為驗(yàn)證性和探究性試驗(yàn)，探究性試驗(yàn)〔如傳熱系數(shù)、溫度變化〕的各種因素之間的相互關(guān)系，分析、整理試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，總結(jié)該傳熱物理模型的無量綱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，到達(dá)節(jié)約資源、獲得滿足試驗(yàn)效果、為工程或科研工程效勞的目的。驗(yàn)證性試驗(yàn)則是面向傳熱理論教學(xué)，學(xué)生在設(shè)計好的儀器設(shè)備上動手操作，借助具有典型工程性的試驗(yàn)設(shè)備，讓學(xué)生親身體會在錯綜簡潔的、紛亂的試驗(yàn)現(xiàn)象中去覺察問題、觀看問題、解決問題，從而幫助學(xué)生理解教材表達(dá)的理論方法，熬煉根本熱工儀器儀表使用操作的素養(yǎng)、力氣。計算傳熱學(xué)〔或傳熱計算機(jī)模擬〕已經(jīng)進(jìn)展成了傳熱學(xué)的一個分支學(xué)科，是當(dāng)前爭論熱點(diǎn)。應(yīng)用計算機(jī)解決工程實(shí)際問題，是現(xiàn)代工程技術(shù)人員所必備的技能。通過傳熱學(xué)計算機(jī)實(shí)習(xí)，學(xué)生初步熬煉計算機(jī)求解傳熱問題的技能，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)、設(shè)計、從事實(shí)際的科研設(shè)計奠定根底，以適應(yīng)信息化的大趨勢。傳熱試驗(yàn)有別于前繼課程中的教學(xué)試驗(yàn)的主要特點(diǎn)是其典型的工程性、簡潔的理論性和直接的現(xiàn)實(shí)性。這與前繼課程中的一些教學(xué)試驗(yàn)將錯綜簡潔的工程割裂成單一的過程、突出某一典型現(xiàn)象有著顯著的區(qū)分。教學(xué)試驗(yàn)臺的設(shè)計愈來愈趨向模塊化、集成化、小型化、綜合化、信息化、智能化，盡量削減單調(diào)機(jī)械的重復(fù)勞動，加快試驗(yàn)進(jìn)度。先進(jìn)的試驗(yàn)臺還具有在線會話與指導(dǎo)功能，讓學(xué)生在動手操作的同時，充分感受現(xiàn)代科技的魅力，對于提高試驗(yàn)效果進(jìn)而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，開闊思路，具有重要的意義，也是試驗(yàn)、教學(xué)工作者的努力方向。試驗(yàn)方式及根本要求：學(xué)生為主，教師為輔，充分預(yù)習(xí)，兩、三人合作完成。明確試驗(yàn)?zāi)康摹{(diào)整儀表、記錄數(shù)據(jù)、答復(fù)以下問題、試驗(yàn)報告。試驗(yàn)報告要求：試驗(yàn)報告應(yīng)簡述試驗(yàn)及儀器操作的根本原理，同時將完成的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)中覺察的問題、體會記錄在報告中。試驗(yàn)涉及的比較艱深的理論不作統(tǒng)一要求。試驗(yàn)一恒熱流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板法測定非金屬材料熱物性參數(shù)〔導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、導(dǎo)溫系數(shù)〕依據(jù)Fourier定律，導(dǎo)熱系數(shù)的測量可以沿循穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱兩種思路。穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱法認(rèn)為導(dǎo)熱系數(shù)的變化是隨溫度而線性變化的，試驗(yàn)要求持續(xù)的時間長，需要的設(shè)備比較多，如測量熱流密度時需要引入泵、水循環(huán)系統(tǒng)，且必需計及散熱誤差。非穩(wěn)態(tài)法著眼于“瞬態(tài)”特性，持續(xù)時間較短，可以測量不同溫度條件下的導(dǎo)熱系數(shù)，因而愈來愈受到重視。一、試驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^試驗(yàn)測出溫度變化曲線，進(jìn)一步加深了解不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程的特征。對導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)及比熱容有比較直觀的生疏，并把握快速測試材料熱物性的試驗(yàn)方法和技術(shù)。二、試驗(yàn)原理t2δ〔1〕，初始溫度為、導(dǎo)熱系數(shù)為λ、導(dǎo)溫系數(shù)為的無限大平板，ti當(dāng)其兩外表用恒熱流密度qω加熱時，平板內(nèi)任意點(diǎn)的溫度可表示為：q 1 x 1 2 x tt

w F

( )2

(n)n1cos(n

)exp(n22F

) 〔1〕i o

2 6 (n)2

n1

o當(dāng)加熱經(jīng)過一段時間后，即Fo＞0.5〔教材取為0.2〕時，〔1〕式中的級數(shù)項(xiàng)便可略去不計了。這時可得簡潔關(guān)系式tt

qw

1 xF ( )2

1 〔2〕i o

2 6由〔2〕式可見，板內(nèi)各點(diǎn)溫度隨時間線性變化，而與板面垂直的坐標(biāo)X呈拋物線關(guān)系。如圖1所示。這就是不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱到達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時的溫度場特征〔“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”〕X=±δX=0的中心面，上式分別寫成：q 1wFt t wFw i

( ) o 3q 1t t w (F )c i o 6由上面兩式可得導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)原理

qw w W/m·K 〔3〕2(tw

t) 2tc式中：Δt=tw-tc——同一瞬時加熱面與中心面間的溫差，℃； 圖1板內(nèi)各點(diǎn)溫度變化qw—單位面積平板外表所獲得熱流量，W/m2；δ—平板的半寬，m。由于從不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱到達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時，板內(nèi)各點(diǎn)的溫度隨時間線性變化。也就是說，此時板內(nèi)各點(diǎn)溫度對時間的變化率一樣，故只要測出中心面〔或加熱面〕的溫度變化率，就可按定義寫出比熱容計算式：tqc wtq()c

J/kgK 〔4〕式中：ρ—試材的密度，kg/m3；〔δt/Δτ〕—中心面的中心溫度變化率，℃/s。c按定義，材料的導(dǎo)溫系數(shù)可表示為： t 2 ta ( ) (

m2/s 〔5〕c q c 2t cw綜上所述，應(yīng)用恒熱流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板法測試材料熱物性時，在一個試驗(yàn)上可同時測出材料的三個重要熱物性——導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和導(dǎo)溫系數(shù)。關(guān)于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程解析解的推導(dǎo)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，見試驗(yàn)附錄。三、試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)設(shè)備包括SEI-3型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測定儀、計算機(jī)和試驗(yàn)把握軟件，如圖2所示。SEI-3型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測定儀內(nèi)試驗(yàn)本體由四塊厚度均為δ、面積均為F的被測試材重疊在一起組成。在第一塊與其次塊試材之間夾著一個薄型的片狀電加熱器；在第三塊和第四塊試材之間也夾著一個相同的電加熱器；在其次塊與第三塊試材交界面中心和一個電加熱器中心各安置一對熱電偶；這四塊重疊在一起試材的頂面和底面各加上一塊具有良好保溫特性的絕熱層。然后用機(jī)械的方法把它們均勻地壓緊。電加繪出試材中心面和加熱面的溫度變化曲線。試驗(yàn)使用熱電偶傳感器采集溫度信號。熱電偶一端由兩種不同金屬熔或焊成接點(diǎn)，接觸測溫對象，另一端則置于冷端〔例如環(huán)境氣體或冰水混合物〕，它將感受的溫差信號轉(zhuǎn)換為微小的電勢差，經(jīng)過軟件系統(tǒng)處理恢復(fù)到溫度信號。四、試驗(yàn)步驟

2試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)圖用游標(biāo)卡尺對試材的厚度進(jìn)展測量〔單位：㎜〕并用天平稱其稱重〔單位：g〕。將試材按試驗(yàn)要求裝入SEI-3型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測定儀試驗(yàn)本體內(nèi)?！沧ⅲ河檬帜萌≡嚥臅r確定要拿試材的邊緣，不要用手接觸試材的加熱面，以免破壞試材的初始溫度場。〕接通SEI-3型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測定儀電源，雙擊SEI-3圖標(biāo)，進(jìn)入教學(xué)試驗(yàn)軟件系統(tǒng)〔3〕。圖3 教學(xué)試驗(yàn)軟件系統(tǒng)界面認(rèn)真閱讀教學(xué)試驗(yàn)軟件系統(tǒng)上的試驗(yàn)步驟。點(diǎn)擊“我認(rèn)真閱讀了試驗(yàn)步驟”按鈕。在相應(yīng)的欄目內(nèi)按要求輸入試材名稱、試材厚度、試材重量和估量試材導(dǎo)熱系數(shù)〔試材厚度和重量為單塊試材的平均厚度和重量〕。輸入完成后，計算機(jī)在相應(yīng)的欄目內(nèi)給出試材容重和試驗(yàn)加熱電壓。加熱器預(yù)加電壓分串、并聯(lián)兩種。對應(yīng)SEI-3型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測定儀的功率選擇為大〔并〕、小〔串〕之SEI-3〔串〔串聯(lián)〕大于20伏特時，再選擇在大〔并〕的位置。調(diào)整SEI-3測定儀的電壓調(diào)整旋鈕，使加熱電壓在加熱器預(yù)加電壓值四周。將試驗(yàn)人員的學(xué)號填入“學(xué)號”欄目內(nèi)，點(diǎn)擊“參與學(xué)號”按鈕。試驗(yàn)人員學(xué)號輸入完成后點(diǎn)擊“確認(rèn)小組學(xué)號”按鈕，即可進(jìn)展試驗(yàn)。點(diǎn)擊“測量”按鈕并同時翻開SEI-3測定儀的加熱開關(guān)。觀看加熱外表和絕熱外表的溫度變化過程，按鈕并關(guān)閉SEI-3測定儀的加熱開關(guān)〔4〕。圖4 試驗(yàn)進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)曲線點(diǎn)擊“保存”按鈕，保存全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊“復(fù)位”可重試驗(yàn)，點(diǎn)擊“退出”可完畢試驗(yàn)。最終將保存的試驗(yàn)數(shù)據(jù)讀出，記錄在試驗(yàn)數(shù)據(jù)表中。qw的計算雖然用薄片狀電加熱器加熱，但它到底有確定的熱容量，在加熱過程中，加熱器本身要吸取熱量，且先于試材。因此試材實(shí)際所吸取的熱量必需從電功率中扣除電加熱器所吸取的熱量。依據(jù)試驗(yàn)原理，僅爭論電加熱器對中間兩塊試材加熱時的溫度變化就可以了，但為了避開因電加熱器q的計算帶來困難，所以在兩加熱器外側(cè)各補(bǔ)上一塊同厚度的試材并加以保溫，w這樣，電加熱器將同等地加熱其兩側(cè)的每塊試材，每塊試材內(nèi)的溫度場對于電加熱器是對稱的。兩個同樣的電加熱器是并聯(lián)〔或串聯(lián)〕供電的?；谝陨戏治?，試材外表試驗(yàn)所吸取的熱量應(yīng)為：q UICh

W/m2 〔6〕式中：U——加熱器的電壓，V；I——加熱器的電流A；

w 4F 2 hF——加熱器〔即試材〕面積，㎡；C=0.079J/㎡℃——加熱器單位面積的比熱容；h(t)h

(t

) ——加熱器〔也是試材加熱面的溫度變化率〕，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時，有w六、試驗(yàn)要求

(t)h

(t)

(t

)，℃/sc預(yù)習(xí)試驗(yàn)指導(dǎo)書，理解試驗(yàn)原理和試驗(yàn)方法。細(xì)心裝配試材，電加熱器和熱電偶，避開損壞。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出溫度變化曲線。計算出試材的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和導(dǎo)溫系數(shù)。七、試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄試材名稱 ；試材厚度 ㎜；試材重量 g加熱電流 A；加熱電壓 V；試材面積 100×100 mm2時間熱面溫度冷面溫度時間熱面溫度冷面溫度時間 熱面溫度冷面溫度030″5′30″6′11′11′30″1′6′30″12′1′30″7′12′30″2′7′3