实验三 准稳态法测材料的导热性能实验.doc

实验三准稳态法测材料的导热性能实验
一、实验目的
1. 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2δ,初始温度为t0,平板两面受恒定的热流密度qc均匀加热(见图1)。求任何瞬间沿平板厚度方向的温度分布t(x,)。导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件如下:
时,
处,
处,
方程的解为:
式中:τ——时间,s;
λ——平板的导热系数,w/m∙℃;
——平板的导温系数, m2/s;
——,n=1,2,3,……;
Fo——傅立叶准则,Fo= ;
t0 ——初始温度,℃;
——沿x方向从端面向平板加热的恒定热流密度,w/m2。
随着时间τ的延长,F0数变大,上式中级数和项愈小。
当F0>,级数和项变得很小,可以忽略,上式变成:
(1)
由此可见,当F0>,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x=0处的温度为:
(2)
平板加热面x=δ处为:
(3)
此两面的温差为:
如已知qc和δ,再测出Δt,就可以由式(3)求出导热系数:
(4)
实际上,无限大平板是无法实现的,实验总是用有限尺寸的试件。一般可认为,试件的横向尺寸为厚度的6倍以上时,两侧散热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等于无限大平板两端面的温度差。
根据势平衡原理,在准态时,有下列关系:
式中:F——试件的横截面积,m2;
C——为试件的比热,J/kg∙℃;
ρ——为试件的密度(kg/m3);
——为准稳态时的温升速率(℃/s)。
由上式可得比热:
实验时,以试件中心处为准。
三、实验设备
按上述理论及物理模型设计的实验装置如图2所示。
图2 实验装置简图
1. 试件
试件尺寸为100mm×100mm×δ,共四块,尺寸完全相同,δ=10~16mm。每块试件上下面要平齐,表面要平整。
2. 加热器
采用高电阻康铜箔平面加热器,康铜箔厚度仅为20μm,加上保护箔的绝缘薄膜,总共只有70μm。其电阻值稳定,在0—100℃范围内几乎不变。加热器的面积和试件的端面积相同,也是100㎜×100㎜的正方形。两个加热器的电阻值应尽量相同,%以内。
3. 绝热层
用导热系数比试件小的材料作绝热层,力求减少热量通过,使试件1、4与绝热层的接触面接近绝热。这样,可假定式(4)。
4. 热电偶
利用热电偶测量试件2两面的温差及试件2、3接触面中心处的温生速率,㎜的康铜丝制成。
实验时,将四个试件整齐迭放在一起,分别在试件1和2及试件3和4之间放入加热器1和2,试件和加热器要对齐。热电偶的放置如图3,热电偶测温头要放在试件中心部位。放好绝热层后,适当加以压力,以保持各试件之间接触良好。
图3计算机采集测试系统简图
四、实验步骤
1. 用卡尺测量试件的尺寸:面积F和厚度δ;用天平测量试件重量。
2. 按图2和图3放好试件、加热器和热电偶,接好电源。手动测量时,接好热点偶