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1、实验四十四实验四十四 材料导热系数的测定材料导热系数的测定 在现代建筑物中，为了保护生在现代建筑物中，为了保护生态环境，节约能源，需要大量具有态环境，节约能源，需要大量具有隔热、保温等功能的无机非金属材隔热、保温等功能的无机非金属材料，这些材料具有一系列的热物理料，这些材料具有一系列的热物理特性。为了合理地使用与选择有关特性。为了合理地使用与选择有关的功能材料，需要用其热物理特性的功能材料，需要用其热物理特性进行热工计算。所以，了解和测定进行热工计算。所以，了解和测定材料的热物理特性是十分重要的。材料的热物理特性是十分重要的。材料的热物理参数有导热系数、材料的热物理参数有导热系数、导温系数、比
2、热等。本实验测定材导温系数、比热等。本实验测定材料的导热系数。料的导热系数。武汉理工大学武汉理工大学武汉理工大学武汉理工大学 材料导热系数的测定方法有材料导热系数的测定方法有 稳定热流法稳定热流法 和和 非稳定热流法非稳定热流法 两两大类。每大类中又有多种测定方法。本实验用稳定热流法中的球大类。每大类中又有多种测定方法。本实验用稳定热流法中的球体法，非稳定热流法中的平板法进行测定。体法，非稳定热流法中的平板法进行测定。.稳态稳态稳态稳态球壁球壁球壁球壁导热测导热测导热测导热测定法定法定法定法.准准准准稳态稳态稳态稳态平壁平壁平壁平壁导热测导热测导热测导热测定法定法定法定法 .非稳态平壁导热测定
3、法非稳态平壁导热测定法非稳态平壁导热测定法非稳态平壁导热测定法材料导热系数的测定方法材料导热系数的测定方法材料导热系数的测定方法材料导热系数的测定方法.稳态稳态球壁球壁导热测导热测定法定法一目的意义一目的意义一目的意义一目的意义 在现代工程中，测定材料导热系数的稳定态热流方法以其原在现代工程中，测定材料导热系数的稳定态热流方法以其原理简单、计算方便而被广泛应用。球壁导热仪即为其中的方法之理简单、计算方便而被广泛应用。球壁导热仪即为其中的方法之一。主要用于测定粉状、颗粒状、纤维状干燥材料在不同填充密一。主要用于测定粉状、颗粒状、纤维状干燥材料在不同填充密度下的导热系数。度下的导热系数。本实验的目
4、的：本实验的目的：1.1.加深对稳定导热过程基本理论的理解，建立维度与坐标选择的加深对稳定导热过程基本理论的理解，建立维度与坐标选择的关系。关系。2.2.掌握用球壁导热仪测定绝热材料导热系数的方法掌握用球壁导热仪测定绝热材料导热系数的方法 圆球法。圆球法。3.3.确定材料导热系数与温度的关系。确定材料导热系数与温度的关系。4.4.学会根据材料的导热系数判断其导热能力并进行导热计算。学会根据材料的导热系数判断其导热能力并进行导热计算。不同材料的导热系数相差很大，一般说，金属的导不同材料的导热系数相差很大，一般说，金属的导热系数在热系数在2.32.3417.6 W/m417.6 W/m范围内，建筑
5、材料的导热范围内，建筑材料的导热系数在系数在0.160.162.2 W/m2.2 W/m之间，液体的导热系数波动之间，液体的导热系数波动于于0.0930.0930.7 W/m0.7 W/m，而气体的导热系数则最小，在，而气体的导热系数则最小，在0.00580.00580.58 W/m0.58 W/m范围内。范围内。即使是同一种材料，其导热系数还随温度、压强、即使是同一种材料，其导热系数还随温度、压强、湿度、物质结构和密度等因素而变化。湿度、物质结构和密度等因素而变化。二二球壁球壁球壁球壁导热导热导热导热法法法法的的的的基本原理基本原理 各种材料的导热系数数据均可从有关资料或手册中查到，但各种材
6、料的导热系数数据均可从有关资料或手册中查到，但由于具体条件如温度、结构、湿度和压强等条件的不同，这些由于具体条件如温度、结构、湿度和压强等条件的不同，这些数据往往与实际使用情况有出入，需进行修正。数据往往与实际使用情况有出入，需进行修正。导热系数低于导热系数低于0.22 W/m0.22 W/m的一些固体材料称为绝热材料，的一些固体材料称为绝热材料，由于它们具有多孔性结构，传热过程是固体和孔隙的复杂传热由于它们具有多孔性结构，传热过程是固体和孔隙的复杂传热过程，其机理复杂。过程，其机理复杂。为了工程计算的方便，常常把整个过程当作单纯的导热过程为了工程计算的方便，常常把整个过程当作单纯的导热过程处
7、理。处理。二二球壁球壁球壁球壁导热导热导热导热法法法法的的的的基本原理基本原理 实验时，在直径为实验时，在直径为 d d1 1 和和 d d2 2 的两个同心圆球的圆壳之间均匀地填的两个同心圆球的圆壳之间均匀地填充充被测材料被测材料（可为粉状、粒状或纤维状），在内球中则装有球形电炉（可为粉状、粒状或纤维状），在内球中则装有球形电炉加热器。当加热时间足够长时，球壁导热仪将达到热稳定状态，内外加热器。当加热时间足够长时，球壁导热仪将达到热稳定状态，内外壁面温度分别恒为壁面温度分别恒为 t t1 1 和和 t t2 2 。根据这种状态，可以推导出。根据这种状态，可以推导出导热系数导热系数 的的计算公
8、式。计算公式。二二球壁球壁球壁球壁导热导热导热导热法法法法的的的的基本原理基本原理 圆球法测定绝热材料的导热系圆球法测定绝热材料的导热系数是以同心球壁稳定导热规律作为基数是以同心球壁稳定导热规律作为基础。在球坐标中，考虑到温度仅随半础。在球坐标中，考虑到温度仅随半径径 r r 而变，故是一维稳定温度场导热。而变，故是一维稳定温度场导热。根据傅立叶定理，经过物体的热流量有如下的关系：根据傅立叶定理，经过物体的热流量有如下的关系：（44-144-1）式中：式中：Q Q 单位时间内通过球面的热流量，单位时间内通过球面的热流量，WW ；绝热材料的导热系数，绝热材料的导热系数，W/mW/m ；dtdt/
9、drdr 温度梯度，温度梯度，/m/m ；A A 球面面积，球面面积，A=A=4r4r2 2，mm2 2 。对（对（44-144-1）式进行分离变量，并根据上述条件取定）式进行分离变量，并根据上述条件取定积分得积分得 （44-2）二二球壁球壁球壁球壁导热导热导热导热法法法法的的的的基本原理基本原理 其中：其中：r r1 1、r r2 2分别为内球外半径和外球内半径。积分得：分别为内球外半径和外球内半径。积分得：（44-3）其中：其中：Q Q为球形电炉提供的热量。只要测出该热量，即可计算出为球形电炉提供的热量。只要测出该热量，即可计算出所测隔热材料的导热系数。所测隔热材料的导热系数。事实上，由于
10、给出的事实上，由于给出的 是隔热材料在平均温度是隔热材料在平均温度 t tmm=（t t1 1+t+t2 2）/2/2时的导热系数。因此，在实验中只要保持温度场稳定，测出球径时的导热系数。因此，在实验中只要保持温度场稳定，测出球径d d1 1和和d d2 2 ，热量，热量Q Q以及内外球面温度即可计算出平均温度以及内外球面温度即可计算出平均温度tmtm下隔热材料下隔热材料的导热系数。改变的导热系数。改变 t t1 1 和和 t t2 2 ，则可得到导热系数与温度关系的曲线。，则可得到导热系数与温度关系的曲线。二二球壁球壁球壁球壁导热导热导热导热法法法法的的的的基本原理基本原理三实验器材1.1.
11、1.1.球壁导热仪球壁导热仪球壁导热仪球壁导热仪 实验装置图如44 1所示。主要部件是两个铜制同心球壳1、2，球壳之间均匀填充被测隔热材料，内壳中装有电热丝绕成的球形电炉加热器3.2.2.2.2.热电偶测温系统热电偶测温系统热电偶测温系统热电偶测温系统 铜康铜热电偶二支（测外壳壁温度），镍铬镍铝热电偶两支（测内壳壁温度）；均焊接在壳壁上。通过转换开关将热电偶信号传递到电位差计，由电位差计检测出内外壁温度。3.3.3.3.电加热系统电加热系统电加热系统电加热系统 外界电源通过稳压器后输出稳压电源，经调压器供给球形电炉加热器一个恒定的功率。用电流表和电压表分别测量通过加热器的电流和电压。图44-1
12、 球壁导热仪实验装置 1.内球壳 2.外球壳 3.电加热器 4.热电偶热端 5.转换开关 6.热电偶冷端 7.电位差计 8.调压器 9.电压表 10.电流表 11.绝热材料四测试步骤四测试步骤 1.1.将被测绝热材料放置在烘箱中干燥，然后均匀地装入球壳的夹层将被测绝热材料放置在烘箱中干燥，然后均匀地装入球壳的夹层之中。之中。2.2.按图按图44-144-1安装仪器仪表并连接导线，注意确保球体严格同心。检安装仪器仪表并连接导线，注意确保球体严格同心。检查连线无误后通电，使测试仪温度达到稳定状态（约查连线无误后通电，使测试仪温度达到稳定状态（约3 34 4小时）。小时）。3.3.用温度计测出热电偶
13、冷端的温度用温度计测出热电偶冷端的温度t0t0。4.4.每间隔每间隔5 51010分钟测定一组温度数据（内上、内下、外上、外下）。分钟测定一组温度数据（内上、内下、外上、外下）。读数应保证各相应点的温度不随时间变化（实验中以电位差计显示变化读数应保证各相应点的温度不随时间变化（实验中以电位差计显示变化小于小于0.02 0.02 mvmv为准），温度达到稳定状态时再记录。共测试为准），温度达到稳定状态时再记录。共测试3 3组，取其平组，取其平均值。均值。5.5.测定并绘制绝热材料的导热系数和温度之间的关系测定并绘制绝热材料的导热系数和温度之间的关系 6.6.关闭电源，结束实验。关闭电源，结束实验
14、。五数据处理五数据处理 1.1.测定数据记录测定数据记录 将有关原始数据和测定结果记入将有关原始数据和测定结果记入表表44-144-1中。中。表44-1 测定数据记录测 定 项 目 123平均值 电 流 I（A）电 压 V（V）内球表面热电偶的热电势（mv）上 下 外球表面热电偶的热电势（mv）上 下 材料名称填充密度 =kg/m3 内球壳外径 d1=cm 外球壳内径 d2 =cm 冷端温度 t0=五数据处理五数据处理 2.2.绝热材料导热系数计算绝热材料导热系数计算 (1):(1):平均温度的校正平均温度的校正 根据冷端根据冷端t0t0及测点平均温度及测点平均温度t t可查得冷端电势可查得冷
15、端电势E(tE(t0 0,0),0)，结合原始数据中各测点的平均电势结合原始数据中各测点的平均电势E(t,t0)E(t,t0)，即可由下式，即可由下式求得求得E(t,0)E(t,0)：E(t,0)=E(t,tE(t,0)=E(t,t0 0)+E(t)+E(t0 0,0),0)（mvmv）其中：其中：t t 测点平均温度，测点平均温度，；t0 t0 冷端温度，冷端温度，；E E 热电势，热电势，mvmv ；再由再由E(t,0)E(t,0)值可查得测点温度值可查得测点温度t t1 1 、t t2 2 。（2 2）电加热器发热量计算）电加热器发热量计算 Q =V IQ =V I 其中：其中：Q Q
16、单位时间内发热量，单位时间内发热量，W W；V V 电加热器电压，电加热器电压，V V；I I 电加热器电流，电加热器电流，A A。（3 3）绝热材料的导热系数计算）绝热材料的导热系数计算 用（用（44-344-3）式计算材料的导热系数）式计算材料的导热系数。即即 五数据处理五数据处理 3.3.确定被测材料导热系数和温度的关系，并绘制出确定被测材料导热系数和温度的关系，并绘制出 t t曲线曲线 由于此实验达到热稳定所需时间较长，无法在一个单元时间由于此实验达到热稳定所需时间较长，无法在一个单元时间内进行不同温度下的多组测量，现将实验室在不同温度下的实测内进行不同温度下的多组测量，现将实验室在不
17、同温度下的实测结果列于下表，请完成计算，将结果列入表中，并画出结果列于下表，请完成计算，将结果列入表中，并画出 t t曲曲线线 。在球壁导热仪的夹层中均匀地装入已烘干的玻璃纤维，内球在球壁导热仪的夹层中均匀地装入已烘干的玻璃纤维，内球外径外径d d1 1=105 mm=105 mm，外球内径，外球内径d d2 2 =151 mm=151 mm。实测数据如下：。实测数据如下：五数据处理五数据处理 表表44-2 44-2 绝热材料导热系数测定数据绝热材料导热系数测定数据 测量序号 内球壁平均热电势(mv)外球壁平均热电势(mv)室温()内球壁温()外球壁温()电流(A)电压(V)平均温度()导热系
18、数(W/m)13.99 1.158 24.8 0.78 15.8 24.23 1.082 23.5 0.81 16.05 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
19、 2.381 23.5 1.3727.5注：内球热电偶注：内球热电偶注：内球热电偶注：内球热电偶镍铬镍铬镍铬镍铬-镍铝热电偶；镍铝热电偶；镍铝热电偶；镍铝热电偶；外球热电偶外球热电偶外球热电偶外球热电偶铜铜铜铜-康铜热电偶。康铜热电偶。康铜热电偶。康铜热电偶。.准准稳态稳态平壁平壁导热测导热测定法定法 一：目的意义一：目的意义一：目的意义一：目的意义 稳态导热系数的测定方法需要较长的稳定加热时间，所稳态导热系数的测定方法需要较长的稳定加热时间，所以只能测定干燥材料的导热系数。对于工程上实际应用的含以只能测定干燥材料的导热系数。对于工程上实际应用的含有一定水分材料的导热系数则无法测定。基于不稳定
20、态原理有一定水分材料的导热系数则无法测定。基于不稳定态原理的准稳态导热系数测定方法，由于测定所需时间短（的准稳态导热系数测定方法，由于测定所需时间短（10102020分钟），可以弥补上述稳态方法的不足且可同时测出材料的分钟），可以弥补上述稳态方法的不足且可同时测出材料的导热系数、导温系数、比热，所以在材料热物性测定中得到导热系数、导温系数、比热，所以在材料热物性测定中得到广泛的应用。广泛的应用。本实验的目的：1加深对准稳定态导热过程基本理论的理解。2学习准稳态法测量隔热材料的导热系数和比热容的方法，并进行导温系数计算。3掌握使用热电偶测量温差的方法。.准准稳态稳态平壁平壁导热测导热测定法定法二
21、二二二.基本原理基本原理基本原理基本原理 不稳定导热的过程实质上就是加热或冷却的过程。非稳态法测不稳定导热的过程实质上就是加热或冷却的过程。非稳态法测定隔热材料的导热系数是建立在不稳定导热理论基础上的。根据不定隔热材料的导热系数是建立在不稳定导热理论基础上的。根据不稳定导热过程的不同阶段的规律而建立起来的测试方法有正规工况稳定导热过程的不同阶段的规律而建立起来的测试方法有正规工况法、准稳态法和热线法。法、准稳态法和热线法。与稳态法相比，这些方法具有对热源的选择上要求较低、所需与稳态法相比，这些方法具有对热源的选择上要求较低、所需的测定时间短（不需要热稳定时间），并可降低对试样的保温要求的测定时
22、间短（不需要热稳定时间），并可降低对试样的保温要求等优点。不足之处在于很难保证实验中的边界条件与理论分析中给等优点。不足之处在于很难保证实验中的边界条件与理论分析中给定的边界条件相一致，且难以精确获得所要求的温度变化规律。但定的边界条件相一致，且难以精确获得所要求的温度变化规律。但由于该法的实用价值，且已广泛地应用于工程材料的测试上，特别由于该法的实用价值，且已广泛地应用于工程材料的测试上，特别是在高温、低温或伴随内部物质传递过程时的材料热物性测试中具是在高温、低温或伴随内部物质传递过程时的材料热物性测试中具有显著的优势。有显著的优势。.准准稳态稳态平壁平壁导热测导热测定法定法 本实验采用的准
23、稳态法是根据本实验采用的准稳态法是根据第二类边界条件、无限大平壁的导第二类边界条件、无限大平壁的导热问题设计的。如图热问题设计的。如图44-244-2所示，若所示，若平壁厚度为平壁厚度为22，初始温度为，初始温度为t0t0，当，当平壁表面维持恒定的热流密度平壁表面维持恒定的热流密度q q时，时，在经过一段加热时间，即当满足傅在经过一段加热时间，即当满足傅立叶准数立叶准数FoFo（=/2=/2）0.50.5以后，以后，由导热微分方程可解得：由导热微分方程可解得：（44-4）图44-2 第二类边界条件无限大 平板导热的物理模型二二二二.基本原理基本原理基本原理基本原理 式中，=t t0 是过余温度
24、；K为常数，对无限大平壁K取1，对无限大圆柱和球体则分别取2和3。显然，式（44-4）表明当F0 0.5后，平壁内各点的温度按线性规律随时间而变化，温度的变化速率与壁面恒定热流密度有关。这种非稳态导热工况即准稳态工况。如果在坐标为y1和y2的两个规定点上求出同一时刻的过余温度1和2，则此两点的过余温度差为：（44-5）二二二二.基本原理基本原理基本原理基本原理 从而导热系数计算式为 （44-6）则对应于上图y1=和y2=0两处的温度，式（44-6）变为 （44-7）此即准稳态平壁法测定隔热材料导热系数的基本公式，即只要知道了平壁表面热流密度Q及任意两点的温度差t就可以算出被测试件的导热系数。二
25、二二二.基本原理基本原理基本原理基本原理 由于由于F F。0.50.5后试件内部任一点的升温速率后试件内部任一点的升温速率dtdt/d/d为常数，且对各点都相等，故若在试样的中心点处测得为常数，且对各点都相等，故若在试样的中心点处测得时刻为了时刻为了11和和22时的温度分别为时的温度分别为t t1 1和和t t2 2，则由（，则由（44-444-4）式）式可得可得 （44-844-8）从而得到隔热材料的比热容计算式为从而得到隔热材料的比热容计算式为 （44-944-9）二二二二.基本原理基本原理基本原理基本原理 此外，知道了材料的导热系数此外，知道了材料的导热系数 和比热容和比热容c c，即可
26、计算出材料的导，即可计算出材料的导温系数温系数 a a /c /c （44-1044-10）需要注意的是为了保证测量时加热热流恒定，应采用经电子稳需要注意的是为了保证测量时加热热流恒定，应采用经电子稳压器后的直流电直接加热。同时，为了满足准稳态工况，应连续观压器后的直流电直接加热。同时，为了满足准稳态工况，应连续观察两对热电偶给出的温度变化曲线（采用温度自动记录仪），只有察两对热电偶给出的温度变化曲线（采用温度自动记录仪），只有当两条曲线呈直线变化且相互平行，试件进入准稳态导热工况时才当两条曲线呈直线变化且相互平行，试件进入准稳态导热工况时才可进行数据记录。可进行数据记录。二二二二.基本原理基
27、本原理基本原理基本原理三三.实验器材实验器材 如图如图44-344-3所示，将四块尺寸完全相所示，将四块尺寸完全相同的被测试件（要求试件的横向尺寸为同的被测试件（要求试件的横向尺寸为单块试件厚度单块试件厚度 的六倍以上）叠放在一起，的六倍以上）叠放在一起，在在1 1、2 2试件和试件和3 3、4 4试件间各装人一个同试件间各装人一个同样的薄形加热器（加热器的热容量应很样的薄形加热器（加热器的热容量应很小可忽略）。在第小可忽略）。在第2 2、3 3试件交界面中心试件交界面中心 及一个薄形加热器中心各安装一对热电及一个薄形加热器中心各安装一对热电偶，并分别接到温度自动记录仪上。在偶，并分别接到温度
28、自动记录仪上。在四块重叠在一起的试件的顶面和底面上四块重叠在一起的试件的顶面和底面上分别加上隔热性能优良的保温层并用机分别加上隔热性能优良的保温层并用机械方法将其均匀地压紧。械方法将其均匀地压紧。图44-3 准稳态平板测试装置1.保护层；2被测试件；3薄形加热器；4热电偶四四.测定步骤测定步骤 1 1 1 1用卡尺测定试件的外形尺寸。用卡尺测定试件的外形尺寸。用卡尺测定试件的外形尺寸。用卡尺测定试件的外形尺寸。2 2 2 2按测试装置图安装试件、联接导线、电源等。按测试装置图安装试件、联接导线、电源等。按测试装置图安装试件、联接导线、电源等。按测试装置图安装试件、联接导线、电源等。3 3 3
29、3接通稳压器，预热接通稳压器，预热接通稳压器，预热接通稳压器，预热10101010分钟。分钟。分钟。分钟。4 4 4 4校对电位差计工作电流，确保初始温度差不得超过校对电位差计工作电流，确保初始温度差不得超过校对电位差计工作电流，确保初始温度差不得超过校对电位差计工作电流，确保初始温度差不得超过0.10.10.10.1。测冷端温度。测冷端温度。测冷端温度。测冷端温度。5 5 5 5接通电加热器开关，并提供恒定电流，同时启动秒接通电加热器开关，并提供恒定电流，同时启动秒接通电加热器开关，并提供恒定电流，同时启动秒接通电加热器开关，并提供恒定电流，同时启动秒表，每间隔表，每间隔表，每间隔表，每间隔
30、1 1 1 1分钟测一个电位值（奇数时刻测与电加热器分钟测一个电位值（奇数时刻测与电加热器分钟测一个电位值（奇数时刻测与电加热器分钟测一个电位值（奇数时刻测与电加热器相联热电偶未端的热电势，偶数时刻测相联热电偶未端的热电势，偶数时刻测相联热电偶未端的热电势，偶数时刻测相联热电偶未端的热电势，偶数时刻测2 2 2 2、3 3 3 3试件中心热试件中心热试件中心热试件中心热电偶未端的热电势）。电偶未端的热电势）。电偶未端的热电势）。电偶未端的热电势）。6 6通过温度自动记录仪连续观察两对热电偶给出通过温度自动记录仪连续观察两对热电偶给出的温的温 度变化曲线，当两条曲线呈直线变化且相互平行时度变化曲
31、线，当两条曲线呈直线变化且相互平行时（根据被测材料不同，一般在（根据被测材料不同，一般在10102020分钟）表明系统进分钟）表明系统进入准稳态导热工况，此时的温差即（入准稳态导热工况，此时的温差即（44-744-7）式中）式中t t。记记下下t t（或热电偶热电势）、电流值（或热电偶热电势）、电流值I I及时间及时间11、2 2。7.7.切断电源，取下试件及加热器，一切恢复原状。切断电源，取下试件及加热器，一切恢复原状。需要注意，若实验中途失败，需待试件冷却至室温需要注意，若实验中途失败，需待试件冷却至室温后（后（4 4小时以上）才能进行再次实验。小时以上）才能进行再次实验。五五.数据处理数
32、据处理（1 1）平均温度的校正）平均温度的校正 E E（t t，0 0）E E（t t，t0t0）E E（t t。，。，0 0）（mVmV）（44-1144-11）（2 2）计算热流密度）计算热流密度q q，计算式为，计算式为 （44-1244-12）（3 3）计算各物性参数）计算各物性参数 用（用（44-7 44-7）式计算导热系数，用（）式计算导热系数，用（44-9 44-9）式计算比热容，）式计算比热容，用（用（44-10 44-10）式计算导温系数。）式计算导温系数。表表44-3 44-3 热电偶电势记录（热电偶电势记录（mVmV）序号序号 加加热热中心中心试试件中心件中心1 1 22
33、1 12 23 34 45 56 6试试件材料名件材料名称称试试件材料密度件材料密度=kg=kgm m 试试件厚度件厚度=m =m 试试件截面件截面积积A =m2 A =m2 冷端冷端温温度度t t0 0 =加加热热器器电电流流I =A I =A 加加热热器器电电阻阻R =R =（为两为两加加热热器器电电阻的平均阻的平均值值 ）.非非稳态稳态平壁平壁导热测导热测定法定法 一实验目的意义一实验目的意义一实验目的意义一实验目的意义 上述的准稳态平壁导热测定原理是非稳态导热原理的一个上述的准稳态平壁导热测定原理是非稳态导热原理的一个特例。表明系统进入准稳态导热工况是当两条曲线呈直线变化特例。表明系统
34、进入准稳态导热工况是当两条曲线呈直线变化且相互平行，温度随时间变化为常数。在实际测定中，难以精且相互平行，温度随时间变化为常数。在实际测定中，难以精确实现此状态，至使导热系数的测定出现一些误差。非稳态平确实现此状态，至使导热系数的测定出现一些误差。非稳态平壁导热测定法则无此限定。壁导热测定法则无此限定。本实验的目的：本实验的目的：1 1加深加深对对非非稳稳定定态导热过态导热过程基本理程基本理论论的理解。的理解。2 2学习学习非非稳态稳态法快速法快速测测量隔量隔热热材料的材料的导热导热系系数数、导温导温系系数数和和比比热热的方法。的方法。3 3掌握使用掌握使用热电热电偶偶测测量量温温差的方法。差
35、的方法。二基本原理二基本原理二基本原理二基本原理 本实验采用热脉冲法。在实验中对试样进行短时间加热，使实验本实验采用热脉冲法。在实验中对试样进行短时间加热，使实验材料的温度发生变化，根据其变化的特点，通过解导热微分方程的，材料的温度发生变化，根据其变化的特点，通过解导热微分方程的，就可求试验材料的导热系数、导温系数和比热。就可求试验材料的导热系数、导温系数和比热。根据非稳态导热原理，对于无限大的物体，其一维非稳定导热微根据非稳态导热原理，对于无限大的物体，其一维非稳定导热微分方程是分方程是 假定初始时间假定初始时间=0=0 时，温度时，温度t=t0 =t=t0 =常数。引入过余温度常数。引入过
36、余温度 之后，之后，上式可改写为上式可改写为 （44-1344-13）可以验证一维不稳定导热微分方程的一个特解为 （44-1444-14）式中：q 热流密度，W/m2；a 物体的导温系数,m2/h；x 离开热源距离,m；c 物体的比热，KJ/m3.；_ 物体的容重，kg/m3；热脉冲加热时间,h。二基本原理二基本原理二基本原理二基本原理 在热脉冲加热时间0之间的任一时刻，实验材料的温度升高为 （44-1544-1544-1544-15）令 得 （44-1644-1644-1644-16）二基本原理二基本原理二基本原理二基本原理 式中，式中，（44-1744-17）高斯误差补函数高斯误差补函数
37、在加热停止后的某一时刻在加热停止后的某一时刻2 2，在热源面（，在热源面（x=x=0 0）上的温度升高为）上的温度升高为 （44-1844-18）二基本原理二基本原理二基本原理二基本原理 由此得到导热系数由此得到导热系数 （44-1944-19）式中式中 q=I2 R/s q=I2 R/s。（44-1944-19）是热脉冲法测物体导热系数是热脉冲法测物体导热系数的计算公式。的计算公式。将将（44-1944-19）代入代入（44-1644-16）得得 （44-2044-20）式中的各项均能在试验过程中测量出来，因此可以计算出式中的各项均能在试验过程中测量出来，因此可以计算出B B(y)(y)函数
38、的值。根据该函数的值可从函数的值。根据该函数的值可从表表44-444-4上查出自变量上查出自变量y y2 2的的值。值。二基本原理二基本原理二基本原理二基本原理 由于由于 ，所以导温系数的计算公式是，所以导温系数的计算公式是 （44-2144-21）比热的计算公式是比热的计算公式是 （44-2244-22）二基本原理二基本原理二基本原理二基本原理 三实验器材三实验器材 平板导热仪主要由放置试件的夹具及试件台、加热系统和温度测量系统三部分组成。如图4所示。图4 DRM1导热系数测定仪1WYJ-A电源 热电偶开关检流计 电位差计 试件台DRM1DRM1导热系数测定仪实物图导热系数测定仪实物图四测定
39、步骤四测定步骤 试样制备试样制备试样制备试样制备 试样要求 试件为板状，以3块为一组，其中两块厚板（尺寸为2020（1.53）cm3）；一块薄板（尺寸为2020（610）cm3）。一组试件必须为同一配比，其容重差小于5%。试件厚度应均匀，两表面应平行。各试件的接触面应平整且结合紧密。这样可以避免形成孔隙而受空气的影响。粉状材料用围框的办法，并按上述要求处理。考虑材料的不均匀性，每种材料应取样35组。用游标卡尺测量试样的长、宽和高，精确到0.1 m m。试件容重的计算 试件容重按下式进行算 =G/V 式中，G 试样的质量，kg；V 试件的体积，m3。2.2.试样尺寸的测定与计算试样尺寸的测定与计
40、算 测试前的准备工作测试前的准备工作 1 1 1 1接通电源，调节加热电压至规定值，打开仪器接通电源，调节加热电压至规定值，打开仪器接通电源，调节加热电压至规定值，打开仪器接通电源，调节加热电压至规定值，打开仪器6V6V6V6V电源开关，电源开关，电源开关，电源开关，预热预热预热预热20202020分钟。分钟。分钟。分钟。2 2 2 2光点检流计零位校正。光点检流计零位校正。光点检流计零位校正。光点检流计零位校正。3 3 3 3根据室温校正根据室温校正根据室温校正根据室温校正UJ31UJ31UJ31UJ31型电位差计的标准工作电压。电位差计转型电位差计的标准工作电压。电位差计转型电位差计的标准
41、工作电压。电位差计转型电位差计的标准工作电压。电位差计转换开关放在标准位置，调整电位差计的工作电流。换开关放在标准位置，调整电位差计的工作电流。换开关放在标准位置，调整电位差计的工作电流。换开关放在标准位置，调整电位差计的工作电流。由于标准电池的电压随温度变化，室温校正按下式进行计算：由于标准电池的电压随温度变化，室温校正按下式进行计算：由于标准电池的电压随温度变化，室温校正按下式进行计算：由于标准电池的电压随温度变化，室温校正按下式进行计算：E t =E E t =E E t =E E t =E 0 0 0 0 39.94 39.94 39.94 39.94（t t t t 20 20 20
42、 20）+0.929(t+0.929(t+0.929(t+0.929(t 20)20)20)20)2 2 2 2 其中，其中，其中，其中，E 0 =1.0186 VE 0 =1.0186 VE 0 =1.0186 VE 0 =1.0186 V 测量步骤测量步骤 1.按实验要求把试样放在样品架上（如图44-5所示）。在薄试件的下部放上加热板及下部热电偶；在薄试件的上部放上上部热电偶。注意热电偶一定要放在试件的中心位置。热电偶的冷端放在冰瓶内。2.电位差计转换开关放在未知1，测出试件的上、下部的初始温度，要求温差小于0.004mv（0.1）时实验方可继续进行。图图5 5 试样放置方法试样放置方法厚
43、试件厚试件 薄试件薄试件 冷面热电偶冷面热电偶热面热电偶热面热电偶 加热器加热器 厚试件厚试件 3.3.上部热电偶的初始热电势预先加上部热电偶的初始热电势预先加0.08mv0.08mv，打开，打开加热开关开始加热，同时用秒表计时。当光点检流计加热开关开始加热，同时用秒表计时。当光点检流计的光点回到零位时，关闭加热电源。得到上部的过余的光点回到零位时，关闭加热电源。得到上部的过余温度及加热时间。温度及加热时间。4.4.过过4 45 5分钟后测出下部热电偶的热电势，得到分钟后测出下部热电偶的热电势，得到下部的过余温度及时间。下部的过余温度及时间。5.5.电位差计转换开关放在未知电位差计转换开关放在
44、未知2 2，打开加热开关，打开加热开关测出加热电流。测出加热电流。6.6.实验结束，关闭电源，整理仪器设备。实验结束，关闭电源，整理仪器设备。五数据处理五数据处理 根据测量结果，根据测量结果，(1)(1)用用（44-1944-19）计算导热系数计算导热系数 。(2)(2)用用（44-2044-20）式计算出式计算出 B(y)B(y)的值，从的值，从表表44-444-4中查中查 出出 y y2 2 的值，然后用（的值，然后用（44-2144-21）式计算导温系数）式计算导温系数。(3)(3)用用（44-2244-22）式计算比热式计算比热C C 。六六.思考题思考题1.1.简述金属、非金属建筑材
45、料、气体导热性能差异大的原因。简述金属、非金属建筑材料、气体导热性能差异大的原因。2.2.用圆球法测定材料的导热系数是对什么温度而言的。用圆球法测定材料的导热系数是对什么温度而言的。3.3.实验中能用外球的外壁温度代替外球的内壁温度吗实验中能用外球的外壁温度代替外球的内壁温度吗？若已知外？若已知外球壁材料为铜。壁厚为球壁材料为铜。壁厚为2 mm2 mm，导热系数为，导热系数为384W/m384W/m，试计算，试计算由此引起的相对误差。由此引起的相对误差。4.4.认真阅读用准稳态平壁导热法测定绝热材料的导热系数的方法。认真阅读用准稳态平壁导热法测定绝热材料的导热系数的方法。5 5什什么么是是导热
46、导热的第一、二、三的第一、二、三类边类边界界条条件？件？实验实验中中怎样实现怎样实现第二第二类类边边界界条条件件？6 6什什么么是准是准稳态稳态工工况况？怎样怎样判判断实验进断实验进入准入准稳态稳态工工况况？7 7用准用准稳态稳态平壁平壁导热导热法法测测定定绝热绝热材料的材料的导热导热系系数数的的实验实验中，中，为为什什么么要采用要采用稳压电稳压电源源？8 8在用准在用准稳态稳态平壁平壁导热导热法法测测定定绝热绝热材料的材料的导热导热系系数数的的实验实验中，中，怎样怎样实现实现无限大平壁的无限大平壁的条条件件？9 9怎样怎样理解理解导温导温系系数数a a的物理意的物理意义义？1010与圆与圆球
47、法相比，准球法相比，准稳态稳态法法测测定隔定隔热热材料的材料的导热导热系系数数有什有什么么特点特点？1111在在热热脉冲法脉冲法测测物体物体导热导热系系数数的原理中，要求的原理中，要求试样试样是无限厚的，是无限厚的，而我而我们们制作的制作的试样试样是有限的。用有限厚的是有限的。用有限厚的试样进试样进行行测试测试，能，能满满足足无限厚物体无限厚物体导热导热方程解的要求方程解的要求吗吗？1212与与准准稳态稳态法相比，法相比，热热脉冲法有什脉冲法有什么优么优点点？主要参考文献1.朱明，硅酸盐工业热工基础实验，武汉工业大学出版社，1996年。2.何仁德，热工实验讲义，武汉工业大学（自编教材）。3.沈韫元等，建筑材料热物理性能，中国建筑工业出版社，1981年4月（第1版）。4.南京玻璃纤维研究设计院，玻璃测试技术，中国建筑工业出版社，1987年6月。5.JC/T 675-1997 玻璃导热系数试验方法。6.GB 11833-89 绝热材料稳态传热性质的测定 园球法。7.GB 10297-88 非金属固体材料导热系数的测定方法 热线法。8.JC/T 275-96 加气混凝土导热系数试验方法。