圓球法測定絕熱材料導熱系數(shù)試驗

1、通過上式可推導出在平均溫度t二匕垃下的材料的導熱系數(shù)2圖1圓球法測量導熱系數(shù)的實驗裝置圓球法測定絕熱材料導熱系數(shù)（一）實驗目的1. 鞏固穩(wěn)定導熱的基本理論，學習用圓球法測定材料導熱系數(shù)的實驗方法，學會利用 標準電阻精密測量電功率的方法以及用熱電偶測溫的技術；2. 測量試材的導熱系數(shù)，以及隨溫度變化的規(guī)律。（二）實驗原理圓球法就是應用沿球壁半徑方向一維穩(wěn)態(tài)導熱的基本原理測定顆粒狀以及纖維狀材料 導熱系數(shù)的實驗方法。在兩個同心圓球所組成的夾層中，填 入顆粒狀或纖維狀試材，內(nèi)外球直徑分別 為d!=80mm, d2=150mm,內(nèi)球表面溫度為 ti,外球表面溫度為t2,根據(jù)傅立葉定律， 當實驗處于穩(wěn)態(tài)

2、時，通過夾層的導熱量為tl -七21 乜丄2兀九d1d2tQ d22 兀 did?* 7 ）若改變加熱量Q，就可以改變壁面溫 度使其處于另一種狀態(tài) ti、t2,這樣可以測 出在各種不同平均溫度 t = 2下試材2的導熱系數(shù)，因此可以得出一條 tt間的關系曲線。（三）實驗裝置及測量儀表實驗裝置如圖1所示。圓球內(nèi)球中電加熱器由高精度晶體管直流穩(wěn)壓電源供電。需要測 量的量包括以下參數(shù)。7 / 53.1功率W的測量用直流穩(wěn)壓電源加熱，功率用精確度為0.01%標準電阻法測量，標準電阻為R2、R3,連接線路如圖1,用電位差計測出Vi、V2，當 R =0.10 時,V2（R2 +R3 V2fVi I R2

3、jR2,0.1V 10 104 V210 10= 1002103V2如果選擇R =0.0113那么 W100V1 -0.1V2 10 V2。3.2溫度測量在內(nèi)外球壁分別埋有鎳鉻一鎳鋁熱電偶，測出它們的熱電勢Ut1、Ut2，查熱電偶分度表得出相應的溫度如t2。上述計算功率時用到的W、V2（即電流電壓）以及熱電偶的熱電勢Ut1、Ut2均采用UJ-33a型電位差計測量，其原理和使用方法見附錄。（四）實驗步驟1. 將試材烘干；2. 根據(jù)給定的被測材料的容重，算出儀器內(nèi)所需裝填的試材重量，并將試材均勻裝入 球內(nèi)；3. 連接并檢查線路系統(tǒng)以及測量儀表。4. 接通電源，觀察各項測量數(shù)據(jù)的變化情況；5. 當各

4、項數(shù)據(jù)基本不隨時間變化時，說明系統(tǒng)已達穩(wěn)定狀態(tài)，開始測量并記錄，每隔 5分鐘測一次，共測三次；6. 整理數(shù)據(jù)，選擇一次測量的數(shù)據(jù)代入公式計算't，由于熱系統(tǒng)的穩(wěn)定時間較長，所以在做實驗時前四項準備工作，在另一套設備上進行，并利用EX型記錄儀觀察其升溫過程。（五）實驗報告1. 實驗裝置系統(tǒng)簡圖；2. 實驗過程中測量儀表讀數(shù)的原始記錄（需有指導教師簽字）3. 實驗表格和計算結果；4. 實驗結果的誤差分析和討論。（六）實驗預習要求1. 復習教材中有關一維導熱方面的原理和公式；2. 預習實驗指導書或者其他教學參考書中關于熱電偶測溫的基本原理和熱電偶的使 用方法；3. 預習實驗指導書中有關電位差

5、計的基本原理和使用方法。實驗一、球體法測定導熱系數(shù)實驗、實驗目的通過本實驗使同學了解用球體法測定材料導熱系數(shù)的基本原理、方法和設備，熟悉實驗設備的使用方法和適用范圍，掌握用于本實驗被測材料必須具備的條件。二、實驗方法與設備 測定材料的導熱系數(shù)的方法可分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種。對于測定材料導熱系數(shù)的 穩(wěn)態(tài)法中，通常根據(jù)被測材料的物理特性或條件來設計制造導熱系數(shù)的測量裝 置。常用的有球體法、平板法、圓柱或圓管法等。而對于測定材料導熱系數(shù)的非 穩(wěn)態(tài)法中，則是根據(jù)加熱方式，分為正常情況法、線熱源法、片面熱源法和閃光 法等等。本實驗采用穩(wěn)態(tài)測量的球體法，并根據(jù)設備的組成、實驗原理、實驗過 程、數(shù)據(jù)的測量和整

6、理，進行介紹。1、設備的組成 設備的構造如下圖所示，其由同心的內(nèi)球 3、外球2和測量儀表等所組成。內(nèi) 球中裝有電加熱器4,實驗時，只要接通電源，用調壓器控制輸入功率，便可使 內(nèi)球溫度升高且維持在一定溫度。內(nèi)球的固定由支架5固定于外球上。外球頂上 有一小蓋1,是為了加入被測材料設置的。在內(nèi)外求的壁面上，裝有熱電偶，用 于測量內(nèi)外球的表面溫度。轉換開關調壓器1小蓋 2 外球 3 內(nèi)球 4 電加熱器5 支架球體法測定材料導熱系數(shù)實驗裝置圖2、實驗原理和過程 球體法適用于測定顆粒狀（或粉末）材料的導熱系數(shù)。球體導熱裝置是按通過球壁 一維穩(wěn)定導熱原理設計的。其原理是：在兩直徑不同的同心圓球可組成的空腔內(nèi)

7、， 充滿被測試材，使試材形成為一定厚度的環(huán)球殼層。實驗時，由于內(nèi)球被加熱， 因此，其溫度大于外球，熱量由內(nèi)向外傳遞。由于內(nèi)外球是完全同心的，被測試材是均質的，且內(nèi)外兩球壁表面溫度是均勻的 （忽略試材與壁面之間間隙對導熱的影響），因此，通過試材的導熱可視為一維導 熱，其熱流量可用下式計算。2加(巧-/3)(W)式中：由內(nèi)球通過試材導熱至外球的熱量， W試材的導熱系數(shù),分別為內(nèi)球的外表面溫度（試材的內(nèi)表面溫度）和外球的內(nèi)表面溫度（試材的外表面溫度），c；叭 分別為內(nèi)球的外徑和外球的內(nèi)徑， m如通過實驗得到加入內(nèi)球的電功率、 內(nèi)外球的溫度和直徑，則可用下式計算得到 被測試材的導熱系數(shù)入。颯丄-丄）如

8、現(xiàn)設導熱系數(shù)與溫度有一定的函數(shù)關系，即_ ，t為的平均溫度,即JU?，則可按上式（2）算得與試材平均溫度對應的導熱系數(shù)。如不斷改變I，則可得到一組平均溫度與導熱系數(shù)對應的數(shù)據(jù)，從而可求得-<'i的函數(shù)關系式。3、實驗過程、數(shù)據(jù)的測量和整理實驗時，先調整好測量儀表，如測量溫度的電位差計、測量電功率的精密功率表， 然后將裝好試材的球體導熱儀接上電源，使加熱器接通電源，緩慢調整調壓器（順 時針為增大輸入功率，逆時針為減小輸入功率 ），當測得的內(nèi)球溫度達到設定的 溫度時，調整停止。觀察較長一段時間（1小時以上）后，確認此控制溫度在所 控溫度精度范圍，即進入準穩(wěn)定狀態(tài)時，就可進行讀數(shù)，此后每隔10分鐘記錄一次讀數(shù)，直至前后三次測量各數(shù)據(jù)偏差小于 1%并且無遞增（減）趨勢，此次 實驗工況結束，取最后三次數(shù)據(jù)平均進行處理。改變加熱功率，使內(nèi)球的外表面 溫度穩(wěn)定在另一溫度下，重復上述過程，直至所有實驗工況測量完成結束為止。數(shù)據(jù)整理時，先將每一工況所得的三次數(shù)據(jù)進行平均，如溫度、加熱功率等，然 后根據(jù)已知條件，根據(jù)公式（2）計算出每一工況下的導熱系數(shù)，最后將其回歸成 導熱系數(shù)與平均溫度的關系式，即 花幾） 三、編寫試驗報告內(nèi)容實驗報告是實驗全過程的總結，其包括如下內(nèi)容：1、實驗任務：試材名稱、規(guī)格、要求測定