《传热学》实验一:
准稳态平板导热系数测定实验
一、 实验目的
1.快速测量绝热材料(不良导体)的导热系数和比热,掌握其测试原理和方法。
2.掌握使用热电偶测量温差的方法。
二、 实验原理
本实验是根据第二类边界条件,无限大平板的导热问题来设计的。
设平板厚度为δ2,初始温度为0t ,平板两面受恒定的热流密度c q 均匀加热(见图1)。求任何瞬间沿平板厚度方向的温度分布()τ,x t 。
导热微分方程、初始条件和第二类边界条件如下:
()()22,,x
x t a x t ??=??τττ
()00,t x t =
(),0c t q x δτλ
?+=?
()0,0=??x t τ
方程的解为:
()()()()2212002132,1cos exp 6n c n n n n q x x t x t F ατδτδμμλδδμδ∞+=??-??-=-+--?? ?????
∑ (1) 式中:
τ——时间;
λ——平板的导热系数;
α——平板的导温系数;123n n n μβδ==,,,,
; 02a F τδ
=——傅里叶准则; 0t ——初始温度;
c q ——沿x 方向从端面向平板加热的恒定热流密度。
随着时间τ的延长,0F 数变大,式(1)中级数和项愈小。当5.00>F 时,级数和项变得很小,可以忽略,式(1)变成:
图1
()20221,26c q x t x t δαττλδδ??-=+- ???
(2) 由此可见,当5.00>F 后,平板各处温度和时间成线性关系,温度随时间变化的速率是常数,并且到处相同。这种状态称为准稳态。
在准稳态时,平板中心面0=x 处的温度为:
()0210,6c q t t δαττλδ??-=- ???
平板加热面x δ=处为:
()??
? ??+=-31,20δτλδτδa q t t c 此两面的温差为:
()()λ
δττδc q t t t ?=-=?21,0, (3) 如已知c q 和δ,再测出t ?,就可以由式(3)求出导热系数:
t
q c ?=2δλ (4) 实际上,无限大平板是无法实现的,实验中是用有限尺寸的试件。一般可以认为,试件的横向尺寸是厚度的6倍以上时,两侧散热对试件中心的温度影响可以忽略不计。试件两端面中心处的温度差就是无限大平板时两端面的温度差。
根据热平衡原理,在准稳态时,有下列关系:
τ
δρd dt F c F q c ????=? (5) 式中:
F ——试件的横截面积;
c ——试件的比热;
ρ——其密度; τd dt ——准稳态时的温升速率。实验时,τ
d dt 以试件中心处为准。 由式(5)可得比热:
τ
δρd dt q c c ??= 按定义,材料的导温系数可表示为
2()()2c c c t t c q t λδλδδδαρττ
===??? m 2/s 综上所述,应用恒热流准稳态平板法测试材料热物性时,在一个实验上可同时测出材料的三个重要热物性:导热系数、比热容和导温系数。
三、 实验装置
非(准)稳态法热物性测定仪内,实验本体由四块厚度均为δ、面积均为F 的被测试材重叠在一起组成。
在第一块与第二块试件之间夹着一个薄型的片状电加热器,在第三块和第四
块试件之间也夹着一个相同的电加热器;在第二块与第三块试件交界面中心,一个电加热器中心各安置一对热电偶;这四块重叠在一起试件的顶面和底面各加上一块具有良好保温特性的绝热层,并用机械的方法把它们均匀地压紧。
电加热器由直流稳压电源供电,两对热电偶所测量到的温度由巡检仪进行采集处理。
1、试件及夹具:试件分为四块,采用的是200×200毫米的有机玻璃块,厚度为8毫米,重量400g 。
2、测量系统:采用高精度的测温铂电阻测量仪表,用以显示加热功率的高精度直流电压、电流表,以及宽范围的直流稳压源,热传感器采用镍铬-镍硅热电偶(K 型)。
3、加热部分为200×200毫米的金属薄膜加热器,阻值标称为100Ω左右,配以0-60V ,5A 的直流稳压一台。
图2 实验设备系统图
四、 实验步骤
1﹑按原理图接好线路(加热系统、测温系统);
2、测试件Ⅱ上下表面的初温,即()0,0t 和(),0t x ,并记录;
3、开始加热。调节加热电流或电压,并维持加热功率为一恒定值。
4、实验测试。从开始加热时计时,即开始加热的同时启动秒表,并按每分钟的间隔时间,记录一组试件Ⅱ上下表面的温度,即()00,t τ及(),x t x τ,测温同时计算相对应的上下表面温差,直到出现连续6~8组相同的温差时,结束实验测试;
5、功率测量,因是恒定功率加热,故不受时间限制,记录加热电流和电压;
6、实验结束,调节加热电流或电压为0,关闭电源。
五、 热流密度q c 的计算
这里我们虽然用薄片状电加热器加热,但它毕竟有一定的热容量,在加热过程中,加热器本身要吸收热量,且先于试件。因此试件实际所吸收的热量必需从电功率中扣除电加热器吸收的热量。
根据实验原理,我们仅研究电加热器对中间两块试件加热时的温度变化就可
以了,但为了避免因电加热器向外难以估计的散热给q c 的计算带来困难,所以在两加热器外侧各补上一块相同厚度的试件并加以保温,这样,电加热器将同等地加热其两侧的每块试材,每块试件内的温度场对于电加热器是对称的。
两个同样的电加热器是并联(或串联)供电的。基于以上分析,试件表面实验所吸收的热量应为:
()42h c h C U I t q F δτ
?=-? W/m 2
式中:
U ——加热器的电压V ;
I ——加热器的电流A ;
F ——加热器(即试件)面积,m 2;
h C =0.079J/(m 2?℃)——加热器单位面积的比热容;
()()()h w c t t t δδδτττ
==???——加热器(也是试件加热面)的温度变化率。 六、 实验要求
1.预习实验指导书,弄懂实验原理和实验方法。
2.细心装配试材,电加热器和热电偶,避免损坏。
3.根据实验数据,绘出温度变化曲线,计算出试件的导热系数、比热容和导温系数。
七、实验数据记录
试件名称:;试件厚度: mm;试件重量: g;
加热电流:A;加热电压:V:试件面积:mm2
导热系数实验报告
一、【实验目的】 用稳态法测定金属、空气、橡皮的导热系数。 二、【实验仪器】 导热系数测定仪、铜-康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤(公用)、杜瓦瓶、秒表、待测样品(橡胶盘、铝芯)、冰块 三、【实验原理】 1、良导体(金属、空气)导热系数的测定 根据傅里叶导热方程式,在物体内部,取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h 、温度分别为θ1、θ2的平行平面(设θ1>θ2),若平面面积均为S ,在t ?时间内通过面积S 的热量Q ?免租下述表达式: h S t Q ) (21θθλ-=?? (3-26-1) 式中, t Q ??为热流量;λ即为该物质的导热系数,λ在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时,单位时间内通过单位面积的热量,其单位是)(K m W ?。 在支架上先放上圆铜盘P ,在P 的上面放上待测样品B ,再把带发热器的圆铜盘A 放 冰水混合物 电源 输入 调零 数字电压表 FD-TX-FPZ-II 导热系数电压表 T 2 T 1 220V 110V 导热系数测定仪 测1 测1 测2 测2 表 风扇 A B C 图4-9-1 稳态法测定导热系数实验装置
在B 上,发热器通电后,热量从A 盘传到B 盘,再传到P 盘,由于A,P 都是良导体,其温度即可以代表B 盘上、下表面的温度θ1、θ2,θ1、θ2分别插入A 、P 盘边缘小孔的热电偶E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中,通过“传感器切换”开关G ,切换A 、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式(3-26-1)可以知道,单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为 2 21)(B B R h t Q πθθλ-=?? (3-26-2) 式中,R B 为样品的半径,h B 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时,θ1和θ2的值不变, 遇事通过B 盘上表面的热流量与由铜盘P 向周围环境散热的速率相等,因此,可通过铜盘P 在稳定温度T 2的散热速率来求出热流量 t Q ??。实验中,在读得稳定时θ1和θ2后,即可将B 盘移去,而使A 盘的底面与铜盘P 直接接触。当铜盘P 的温度上升到高于稳定时的θ2值若干摄氏度后,在将A 移开,让P 自然冷却。观察其温度θ随时间t 变化情况,然后由此求出铜盘在θ2的冷却速率 2 θθθ=??t ,而2 θθθ=??t mc ,就是铜盘P 在温度为θ2时的散热速率。 2、不良导体(橡皮)的测定 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响,因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。 测量导热系数在这里我们用的是稳态法,在稳态法中,先利用热源对样品加热,样品内部的温差使热量从高温向低温处传导,样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动;适当控制实验条件和实验参数可使加热和传热的过程达到平衡状态,则待测样品内部可能形成稳定的温度分布,根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中,最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的,如呈周期性的变化,变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响,与导热系数的大小有关。 本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数,学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。 1898年C .H .Le e s .首先使用平板法测量不良导体的导热系数,这是一种稳态法,实验中,样品制成平板状,其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触,下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多,可以认为热量只沿着上下方向垂直传递,横向由侧面散去的热量可以忽略不计,即可以认为,样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度,在同一平面内,各处的温度相同。 设稳态时,样品的上下平面温度分别为 12θθ,根据傅立叶传导方程,在t ?时间内通过 样品的热量Q ?满足下式:S h t Q B 21θθλ-=?? (1) 式中λ为样品的导热系数,B h 为样品的厚度,S 为样品的平面面积,实验中样品为圆盘状。设圆盘样品的直径为B d ,则半径为B R ,则由(1)式得: 2 21B B R h t Q πθθλ-=?? (2)
导热系数的测量实验精选报告.doc
导热系数的测量 【实验目的】 用稳态法测定出不良导热体的导热系数,并与理论值进行比较。 【实验仪器】 导热系数测定仪、铜- 康导热电偶、游标卡尺、数字毫伏表、台秤 ( 公用 ) 、杜瓦瓶、秒表、待测样品(橡胶盘、铝芯)、冰块 【实验原理】 根据傅里叶导热方程式,在物体内部,取两个垂直于热传导方向、彼此间相距为h、温度分别为T1、 T2的平行平面(设T1>T2),若平面面积均为 S,在t 时间内通过面积S 的热量Q 免租下述表达式: Q S (T 1 T 2 ) (3-26-1 ) t h 式中,Q 为热流量; 即为该物质的导热系数,在数值上等于相距单位长度的两平面t 的温度相差 1 个单位时,单位时间内通过单位面积的热量,其单位是W (m K ) 。 在支架上先放上圆铜盘P,在 P 的上面放上待测样品B,再把带发热器的圆铜盘 A 放在B 上,发热器通电后,热量从 A 盘传到 B 盘,再传到 P 盘,由于 A,P 都是良导体,其温度即可以代表 B 盘上、下表面的温度 T1、T2,T1、 T2分别插入 A、P盘边缘小孔的热电偶 E 来测量。热电偶的冷端则浸在杜瓦瓶中的冰水混合物中,通过“传感器切换”开关G, 切换 A、P 盘中的热电偶与数字电压表的连接回路。由式(3-26-1 )可以知道,单位时间内通过待测样品 B 任一圆截面的热流量为 Q (T1 T2 ) R B2 (3-26-2) t h B B B 1 2 的值不变,式中, R 为样品的半径, h 为样品的厚度。当热传导达到稳定状态时, T 和 T 遇事通过 B 盘上表面的热流量与由铜盘 P 向周围环境散热的速率相等,因此,可通过铜 2 的散热速率来求出热流量Q 。实验中,在读得稳定时 1 2 盘 P 在稳定温度 T t T 和 T 后,即可将 B 盘移去,而使 A 盘的底面与铜盘 P 直接接触。当铜盘 P 的温度上升到高于稳定时的 T2值若干摄氏度后,在将 A 移开,让 P 自然冷却。观察其温度T 随时间 t 变化情况, 然后由此求出铜盘在T2的冷却速率T T , 而 mc , 就是铜盘 P 在温度为 T2时的散t T T2 t T T2 热速率。但要注意,这样求出的T 是铜盘 P 在完全表面暴露于空气中的冷却速率,t T T2 其散热表面积为 2 R B2 2 R P h P。然而,在观察测量样品的稳态传热时,P盘的上表面是被样品覆盖着的,并未向外界散热,所以当样品盘 B 达到稳定状态时,散热面积仅为:
物理实验报告-稳态法导热系数测定实验
稳态法导热系数测定实验 一、实验目的 1、通过实验使学生加深对傅立叶导热定律的认识。 2、通过实验,掌握在稳定热流情况下利用稳态平板法测定材料导热系数的方法。 3、确定材料的导热系数与温度之间的依变关系。 4、学习用温差热电偶测量温度的方法。 5、学习热工仪表的使用方法 二、实验原理 平板式稳态导热仪的测量原理是基于一维无限大平板稳态传热模型,这种方法是把被测材料做成比较薄的圆板形或方板形,薄板的一个表面进行加热,另一个表面则进行冷却,建立起沿厚度方向的温差。 三、实验设备 实验设备如图2所示。 图2 平板式稳态法导热仪的总体结构图 1.调压器 2.铜板 3.主加热板 4.上均热片 5.中均热片 6.下均热片 7.热电偶 8.副加热板 9.数据采控系统10.温度仪表 11.试样装置12.循环水箱电位器13.保温材料14.电位器 键盘共有6个按键组成,包括为“5”、“1”、“0.1”3个数据键,“±”正负号转换键,“RST”复位键,“ON/OFF”开关键。 数据键:根据不同的功能对相应的数据进行加减,与后面的“±”正负号转换键和“shift”功能键配合使用。“±”正负号转换键:当“±”正负号转换键为“+”时,在原数据基础上加相应的数值;为“-”时,减相应的数值。“RST”复位键:复位数据,重新选择。 控制板上的四个发光二极管分别对应四路热电偶,发光二极管发光表示对应的热电偶接通。由一台调压器输出端采用并联方式提供两路输出电压,电位器对每路输出电压进行调整,作为两个加热板的输入电压。 四、实验内容 1、根据提供的实验设备仪器材料,搭建实验台,合理设计实验步骤。调整好电加热器的电压(调节调压器),并测定相关的温度及电热器的电压等试验数据。 2、对测定的实验数据按照一定的方法测量进行数据处理,确定材料的导热系数与温度之间的依变关系公式。 3、对实验结果进行分析与讨论。 4、分析影响制导热仪测量精度的主要因素。 5、在以上分析结论的基础之上尽可能的提出实验台的改进方法。 五、实验步骤 1、利用游标卡尺测量试样的长、宽、厚度,测试样3个点的厚度,取其算术平均值,作为试样厚度和面积。 2、测量加热板的内部电阻。 3、校准热工温度仪表。 4、向水箱内注入冷却水。 5、通过调整电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率,通过4位“LED”显示主加热板和副加热板的温度,根据主加热板的温度,调整电位器改变施加在副加热板的电压,使副加热板的温度与主加热板的温度一致。利用数字电压表测量并记录主加热板电压。 6、在加热功率不变条件下, 试样下表面和循环水箱下表面的温度波动每5min不超过±1℃时,认为达到稳态。此时,记录主加热板温度、试样两面温差。
导热系数的测量实验报告
导热系数的测量 导热系数(又称导热率)是反映材料热性能的重要物理量,导热系数大、导热性能好的材料称为良导体,导热系数小、导热性能差的材料称为不良导体。一般来说,金属的导热系数比非金属的要大,固体的导热系数比液体的要大,气体的导热系数最小。因为材料的导热系数不仅随温度、压力变化,而且材料的杂质含量、结构变化都会明显影响导热系数的数值,所以在科学实验和工程设计中,所用材料的导热系数都需要用实验的方法精确测定。 一.实验目的 1.用稳态平板法测量材料的导热系数。 2.利用稳态法测定铝合金棒的导热系数,分析用稳态法测定不良导体导热系数存在的缺点。 二.实验原理 热传导是热量传递过程中的一种方式,导热系数是描述物体导热性能的物理量。单位时间内通过某一截面积的热量dQ/dt 是一个无法直接测定的量,我们设法将这个量转化为较容易测量的量。为了维持一个恒定的温度梯度分布,必须不断地给高温侧铜板加热,热量通过样品传到低温侧铜板,低温侧铜板则要将热量不断地向周围环境散出。单位时间通过截面的热流量为: 当加热速率、传热速率与散热速率相等时,系统就达到一个动态平衡,称之为稳态,此时低温侧铜板的散热速率就是样品内的传热速率。这样,只要测量低温侧
铜板在稳态温度 T2 下散热的速率,也就间接测量出了样品内的传热速率。但是,铜板的散热速率也不易测量,还需要进一步作参量转换,我们知道,铜板的散热速率与冷却速率(温度变化率)dQ/dt=-mcdT/dt 式中的 m 为铜板的质量, C 为铜板的比热容,负号表示热量向低温方向传递。 由于质量容易直接测量,C 为常量,这样对铜板的散热速率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速率的测量。铜板的冷却速率可以这样测量:在达到稳态后,移去样品,用加热铜板直接对下铜板加热,使其温度高于稳态温度 T2(大约高出 10℃左右),再让其在环境中自然冷却,直到温度低于 T2,测出 温度在大于T2到小于T2区间中随时间的变化关系,描绘出 T —t 曲线(见图 2),曲线在T2处的斜率就是铜板在稳态温度时T2下的冷却速率。 应该注意的是,这样得出的 t T ??是铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率, 其散热面积为 2πRp2+2πRphp (其中 Rp 和 hp 分别是下铜板的半径和厚度),然而, 设样品截面半径为R ,在实验中稳态传热时,铜板的上表面(面积为 πRp2)是被 样品全部(R=Rp )或部分(R