用球體法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)

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模具設(shè)計(jì)與制造專(zhuān)業(yè)“熱工序?qū)W基礎(chǔ)〞

用球體法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

姓名：高金朝準(zhǔn)考證號(hào)：020230100253完成時(shí)間：2023.09.28

用球體法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)

一、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、學(xué)習(xí)用球體法測(cè)定粒狀材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法。2、了解溫度測(cè)量過(guò)程及溫度傳感元件。

二、試驗(yàn)原理

球體法就是應(yīng)用沿球球壁半徑方向一維導(dǎo)熱的基本原理，測(cè)定顆粒纖維材料導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)方法。在兩個(gè)同心的圓球所組成的夾層中，放入顆?；蚶w維狀材料,粒狀材料的導(dǎo)熱系數(shù)可通過(guò)球體導(dǎo)熱儀測(cè)定。如圖1—1所示。由均質(zhì)粒狀材料填充而成的球壁，內(nèi)外直徑分別為d11及d（半2徑r1及r2），它的內(nèi)外表面溫度等于t1和t2，內(nèi)球直徑為dl=60mm，外球直徑為d2=200mm，并維持不變。由于在不大的溫度范圍內(nèi)大多數(shù)工程材料的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系，均可按直線關(guān)系處理，則將傅利葉定律用于此球壁導(dǎo)熱問(wèn)題。如圖7—1的邊

界條件積分可得到熱流量計(jì)算式:???d1d2?m(t1?t2)（1—1）????（1—2）

?d1d2(t1?t2)12?m?式中：

δ—球壁厚度δ=(d2?d1)；λm—球壁材料在tm?t1?t2時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)。2

圖7—1球殼導(dǎo)熱過(guò)程

因此，只要維持內(nèi)外球壁溫度均勻穩(wěn)定，已知球壁半徑d1和d2，測(cè)出內(nèi)外球壁表面溫度t1和t2，即可由式（1—2）算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)λm當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到穩(wěn)態(tài)時(shí)，由傅立葉定律，通過(guò)夾層的導(dǎo)熱量：

從上式可以看出，只要在試驗(yàn)進(jìn)行到穩(wěn)態(tài)的狀況下，通過(guò)測(cè)出內(nèi)球發(fā)出的熱量及通過(guò)熱電偶測(cè)出的內(nèi)、外球表面的溫度，從而就可以計(jì)算出來(lái)λ。試驗(yàn)所

2

用熱電偶為分度號(hào)K鎳鉻鎳鉻熱電偶,其溫度電勢(shì)關(guān)系式為：t=0.0505x+24.062x+0.704℃，(x為測(cè)溫電勢(shì)值)。從上式還可以看出，若改變通過(guò)材料的熱量，則內(nèi)球球壁面的溫度作相應(yīng)的變化，從而使材料處于另一加熱狀態(tài)，這樣

就可以在不同的平均溫度下t=(t1+t2)/2測(cè)出試材的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系也就不難確定了。三、試驗(yàn)設(shè)備

如圖7—2所示，試驗(yàn)設(shè)備組成包括：球體導(dǎo)熱儀本體、試驗(yàn)臺(tái)手動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)字儀表測(cè)量系統(tǒng)。球體導(dǎo)熱儀本體是兩個(gè)球殼同心套裝在一起，內(nèi)球殼外徑為d1，外球殼內(nèi)徑為d2，在兩球殼之間填充試驗(yàn)粒狀材料，熱量由裝入內(nèi)球殼中的球`形電加熱器加熱得到。熱量穿過(guò)內(nèi)球球壁和被測(cè)材料到外球殼，外球殼通過(guò)自然空氣對(duì)流方式進(jìn)行冷卻。每個(gè)球殼布置上下兩個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，取其平均值作為球殼溫度。球體法便于測(cè)定各種散狀物料（如沙子、礦渣、石灰等）的導(dǎo)熱系數(shù)。手動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)操作完成手動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)，其中，功率測(cè)量由電壓表和電流表檢測(cè)得到，溫度測(cè)量由電位差計(jì)檢測(cè)得到。計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)主畫(huà)面，實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，并計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量值等。數(shù)字儀表測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字儀表機(jī)柜，直接測(cè)量得到球壁溫度值和熱流功率值。四、試驗(yàn)方法及試驗(yàn)數(shù)據(jù)1.2.3.4.5.6.

確認(rèn)所在試驗(yàn)臺(tái)上電壓表、電流表工作量程及指針讀數(shù)單位換算。將試驗(yàn)材料烘干，并按一定的容量裝入球內(nèi)。連接并檢查線路系統(tǒng)。

調(diào)電接點(diǎn)溫度計(jì)的磁帽至所需的溫度值。學(xué)會(huì)用電位差計(jì)測(cè)量熱電偶信號(hào)操作要領(lǐng)。

估計(jì)熱球所需的加熱功率（熱、冷面的溫差應(yīng)大于10℃），并按此范圍調(diào)理穩(wěn)壓電源后不再變動(dòng)，熱電偶冷端放入冰筒內(nèi)（0℃）。

7.觀測(cè)系統(tǒng)的變化，待到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)用電位差計(jì)測(cè)出內(nèi)、外球壁面（t1,t2）的熱電勢(shì)，并同時(shí)記錄下加熱的電壓與電流值。改變加熱功率，切換轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，重復(fù)做6、7;測(cè)取不同△T狀況下的λ值,記錄4個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)；讀表得到電壓、電流數(shù)據(jù)。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表7-1中。

～220V銅—康銅熱電偶3#調(diào)(變)壓器轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)1#加熱絲VA4#2#冰點(diǎn)桶電位差計(jì)E圖7—2球體導(dǎo)熱儀試驗(yàn)裝置原理結(jié)構(gòu)圖試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

完成表7-1、表7-2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、計(jì)算及整理工作。

六、試驗(yàn)報(bào)告

1.結(jié)合課堂講授的理論及試驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生要提供自編的試驗(yàn)報(bào)告書(shū)。2.學(xué)生要根據(jù)自己所進(jìn)行的試驗(yàn)獨(dú)立認(rèn)真地撰寫(xiě)試驗(yàn)報(bào)告。要求字跡工整、數(shù)據(jù)確鑿、觀測(cè)現(xiàn)象的文字描述層次明了并應(yīng)結(jié)合理論教學(xué)中的知識(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果給出分析和評(píng)價(jià)。

七、思考題

1．簡(jiǎn)述用球體法測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)？

2．假使安裝內(nèi)外球殼時(shí)略有偏心，導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定是否會(huì)受到影響？為什么3．試說(shuō)明懸掛在空中的試驗(yàn)球體，外球殼表面的換熱方式？假使球殼表面有空氣流動(dòng)或有陽(yáng)光照射，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量有沒(méi)有影響？為什么？

表7-1試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)記錄

記錄人：同組人：時(shí)間：試驗(yàn)參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)球殼溫度外球殼溫度球試材名稱(chēng)內(nèi)上t1－1內(nèi)下t1－2外上t2－1外下t2－2殼mvmvmvmv溫容重℃℃℃℃度內(nèi)平均溫度t1=外平均球溫度t2=外球直徑tm=(t1+t2)/2=加熱電壓U電流I(A)功率??Q?U?I(W)功率(V)內(nèi)球直徑環(huán)境溫度導(dǎo)熱系λtm=(w/m·℃)數(shù)

表7-2試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)匯總

臺(tái)試材測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)號(hào)法導(dǎo)熱系數(shù)?％*內(nèi)外球均溫加熱功率導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量誤差tmλ?1粒手動(dòng)臺(tái)狀測(cè)珍珠手動(dòng)2臺(tái)巖測(cè)3粒手動(dòng)臺(tái)狀測(cè)蛭石手動(dòng)4臺(tái)測(cè)3粒微機(jī)臺(tái)狀測(cè)蛭4儀表臺(tái)石測(cè)*手動(dòng)測(cè)量與微機(jī)和儀表測(cè)量的相對(duì)誤差（以手動(dòng)測(cè)量為基準(zhǔn)）

表7-1試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)記錄

記錄人：同組人：時(shí)間：試驗(yàn)參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)球殼溫度外球殼溫度球試材名稱(chēng)內(nèi)上t1－1內(nèi)下t1－2外上t2－1外下t2－2殼mvmvmvmv溫容重℃℃℃℃度內(nèi)平均溫度t1=外平均球溫度t2=外球直徑tm=(t1+t2)/2=加熱電壓U電流I(A)功率??Q?U?I(W)功率(V)內(nèi)球直徑環(huán)境溫度導(dǎo)熱系λtm=(w/m·℃)數(shù)

表7-2試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)匯總

臺(tái)試材測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)號(hào)