傳熱學實驗指導書

用球體法測定粒狀材料的導熱系數(shù)一、實驗目的1、 鞏固和深化穩(wěn)態(tài)導熱的基本理論，學習測定粒狀材料的熱導率的方法。2、 確定熱導率和溫度之間的函數(shù)關(guān)系。二、實驗原理熱導率是表征材料導熱能力的物理量，其單位為W/(m?K),對于不同的材料，熱導率是不同的。對于同一種材料，熱導率還取決于它的化學純度，物理狀態(tài)(溫度、壓力、成分、容積、重量和吸濕性等)和結(jié)構(gòu)情況。各種材料的熱導率都是專門實驗測定出來的，然后匯成圖表，工程計算時，可以直接從圖表中查取。球體法就是應(yīng)用沿球半徑方向一維穩(wěn)態(tài)導熱的基本原理測定粒狀和纖維狀材料導熱系數(shù)的實驗方法。設(shè)有一空心球體，若內(nèi)外表面的溫度各為t1和t2并維持不變，根據(jù)傅立葉導熱定律:dt dt(p——入A ——4兀r2九dr dr(1)r—邊界條件r—r時t—t1r時t—t2(2)1、若人=常數(shù)，則由(1)(2)式求得[W][W]4兀九rr(t一t)1212r一r21

2兀九dd(t—t)1212d—d21[W/(m?K)]p[W/(m?K)]212^dd(t—t)12122、若人工常數(shù)，(1)式變?yōu)?4)dtp——4兀r2九(t(4)dr由(4)式，得P上--f九(t)dt4兀r2r1 t1將上式右側(cè)分子分母同乘以(t2-t1)，得PA-4兀r2r1f九(t)dt一嚀 (t一t)t—t2 121九(t)dt(5)f九(t)dt式中占 項顯然就尉t—t21在t7和t2范圍內(nèi)的積分平均值，用九式中占 項顯然就尉t—t2112 m m t—t21材料的熱導率對溫度的依變關(guān)系一般按線性關(guān)系處理，即九」0(1+bt)。因此,f九(1+bt)dt0 b九一召 一九[1+ (t+1)]。這時，(5)式變?yōu)閙 t一t 0 2 12 ''21

[W/(m?K)]? fdr9(d[W/(m?K)]m(t-1)4兀r2 2兀dd(t-1)1 2q 12 1 21式中，九為實驗材料在平均溫度t二(t+1)下的熱導率,m m2 1 29為穩(wěn)態(tài)時球體壁面的導熱量，t、t分別為內(nèi)外球壁的溫度，12d、d分別為球壁的內(nèi)外直徑。12實驗時，應(yīng)測出t、t和9，并測出d、d，然后由(3)或(6)得出九。TOC\o"1-5"\h\z1 2 1 2 m如果需要求得人和t之間的變化關(guān)系，則必須測定不同t下的九值，由m m九二九(1+bt)m1 0 m1九二九(1+bt)m2 0 m2可求的九、b值，得出人和t之間的關(guān)系式九二九(1+bt)。00三、實驗設(shè)備導熱儀本體結(jié)構(gòu)和測量系統(tǒng)如圖1-1所示。\\\\圖1-1導熱儀本體結(jié)構(gòu)和測量系統(tǒng)1.內(nèi)球殼2.外球殼3.電加熱器4.熱電偶5.轉(zhuǎn)換開關(guān)6?冰點保溫瓶7?電位差計8?調(diào)壓變壓器9?電壓表10.電流表本體有兩個很薄的銅制同心球殼1和2組成。內(nèi)球殼外徑為dl,外球殼外徑為d2,在兩球殼之間均勻填滿粒狀材料(如砂子、珍珠巖、石棉灰等)。內(nèi)殼中裝有電加熱器，它產(chǎn)生的熱量將通過粒狀材料導至外殼，為使內(nèi)外球殼同心，兩球之間有支撐桿。由試料導出的熱量從外殼表面以自然對流的方式由空氣帶走，球外商部和下部的空氣流動情況不同，外球表面溫度分布不均勻，因此在內(nèi)外球殼的表面上各埋置3?6個對熱電偶，用來測量內(nèi)外球殼的溫度，并取其平均值作為球壁的表面溫度。球內(nèi)試料應(yīng)力求松緊均勻，填滿空間，室溫應(yīng)盡量保持不變，避免日光直射球殼，應(yīng)防止人員走動、風等對球殼表面空氣自由流動的干擾，以便使外球殼的自然對流放熱狀態(tài)穩(wěn)定，這樣才能在試料內(nèi)建立一維穩(wěn)態(tài)溫度場。四、實驗步驟1、 將試料烘干，并根據(jù)給定的被測材料的容量，算出儀器內(nèi)所需裝填的試料重量，然后均勻的裝入球內(nèi)；2、 將所有儀器儀表按圖1-1接好，并經(jīng)指導教師檢查；3、 接通電源，用調(diào)壓變壓器將電壓調(diào)到一定的數(shù)值并保持不變，觀察各項測量數(shù)據(jù)的變化情況；4、 當各項數(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，并測3次；5、 整理數(shù)據(jù)，選取一組數(shù)據(jù)，代入計算式，計算值九；m材料內(nèi)球殼外徑外球殼內(nèi)徑室溫測量內(nèi)球殼夕卜面溫度。C外球殼外面溫度C電力L熱器次數(shù)123456平均123456平均電流I電壓V1236、改變電加熱器的電壓，即改變熱流，使它維持在另一數(shù)值上，當達到新的穩(wěn)態(tài)后，重復步驟4和5,得到新的九值。m利用兩種情況下的九值，由(7)式求得九、b值，得出久和t之間的關(guān)系式九二九(1+bt)。m 0 0五、 實驗報告要求1、 畫出實驗裝置系統(tǒng)簡圖；2、 實驗過程中所測量的原始數(shù)據(jù)記錄3、 實驗表格和計算結(jié)果4、 實驗結(jié)果的誤差分析和討論六、 思考題1、 試料填充的不均勻所產(chǎn)生的影響是什么？2、 內(nèi)外球殼不同心所產(chǎn)生的影響是什么？3、 室內(nèi)空氣不平靜會產(chǎn)生什么影響？4、 怎樣判斷、檢驗球體導熱過程已達到穩(wěn)態(tài)？5、 怎樣按測得的數(shù)據(jù)，計算圓球表面自然對流換熱系數(shù)？6、 球體導熱儀從開始加熱到熱穩(wěn)態(tài)所需時間取決于哪些因素？

汕0 1234567^9度 熱 動勢mV-40-1475■L5I0-15441579161416481W-1,717-],75l-1,785-30-1.121■L157-1.19212281.263-],2W13341370-],405-1,440-2C-0.757-0.W■0.830■4).867〔財30,976-1,013?】39-1,085-10-0.4210.45S(*495(*.534■0.571(1602(16460,683^),7200--0.000-0.039-0.077-0.116-OA544).193-0.231-0.269-0.307-0.345(H-0.0000,07?■1170」560.195O.2.M0.2730312035J10039104300.4700.5100.W0.5890.6590.6690.709().749200.7890,870OJ110,95]0.9921畑2133L1141155301.1961237L279132(1136114)3L.4441.4K6152R1.569?川L611IJS531咖1.7381.7801.8221.865I.WL950L9925020352.07821212.1642.2072.2502.2942.3372.38()活1602.4672J1115552,59?2,6432.6&717312.7752r&192rSM70290S￡95329973.0423.O&73.1313.1763221J266.i_3I28033573.4023,4473,4933.5383,5843,6303.6763.72〕3767903.S133.8593,9063.9523.99M4,0444.0914.1374.1844?23l1004.2774.3244,3714.4184.4654.5124,5594.6074r6544.701110474947964.S44腫4,9394.9K75.0355.0SJ5J315275532453725.4205.4695.5175.5665.6155.6^31305.712?.7615.8105.8595.WS5,9576.0076,0566JO56.1551406204625453&站」6.4036.4526.5026.5526.6026.65215067026J536lR036.853&9036.9547.0047.0557JW7.1501607.20772587.3097.36(17.4117.4627.5137.5647.6157.6601707.7187.769徳17.8727.9247J758.027S.O7|S.131S.183180S235S^878339K.391&443K.495K.54SK/iOfl8.6528.705190S757SS10罠K638.9158.96K9.0219.074?.1272009.28693399,3929.4W9,5539,606y,659971397672109.8309S749.9289.9R210.03610.0901(1.14410.1