实验三 准稳态法测材料的导热性能实验
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2，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：2),(),(xtaxt时, 00t处， xx处， cqt方程的解为：式中： )exp()cos(2)1(63),( 0220 Fxatxt nnnc 时间，s； 平板的导热系数，w/m ； 平板的导温系数， m2/s； aac ，n=1，2，3，；n图 第 二 类 边 界 条 件 无 限 大 平 板导 热 的 物 理 模 型Fo 傅立叶准则，Fo ； 2at0 初始温度,； 沿 x 方向从端面向平板加热的恒定热流密度，w/m 2。cq随着时间 的延长， F0数变大，上式中级数和项愈小。当 F0>0.5 时，级数和项变得很小，可以忽略，上式变成：（1）201(,)()6cqatxtxt由此可见，当 F0>0.5 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 x=0 处的温度为：(2)021(,)()6cqatt平板加热面 x= 处为：(3)3(),(20ttc此两面的温差为： cqtt1),(,如已知 qc和 ，再测出 t ，就可以由式（3）求出导热系数：（4）tqc2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： dtCFqc式中： F 试件的横截面积，m 2；C 为试件的比热，J/kg； 为试件的密度(kg/m 3)； 为准稳态时的温升速率(/s)。dt由上式可得比热： dtqcc实验时， 以试件中心处为准。dt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。绝 热 层试 件 1试 件 2试 件 3试 件 4绝 热 层 加 热 器加 热 器热 电 偶热 电 偶 可 调节 稳压 电源图 2 实验装置简图1. 试件试件尺寸为 100mm×100mm×，共四块，尺寸完全相同，=1016mm。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 20m，加上保护箔的绝缘薄膜，总共只有 70m。其电阻值稳定，在 0100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，相差应在 0.1%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）中的热量 qc等于加热器发出热量的 0.5 倍。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，热电偶由0.1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 ；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，接好热点偶与电位差计及转换开关的导线，计算机采集不用。3. 接通测试装置的开关，调节加热器的电压电流至设定值。 （试验过程中，电流不容许变化。此值事先经实验确定） 。4打开计算机测试软件，进入“实验过程”界面，在参数设定区设置实验参数。分别输入试件厚度、面积、密度等已知数据。傅立叶准则设定为 0.5，采集时间间隔设定为 2分钟。设定完毕后开始采集数据。5. 经过一段时间后（与所测材料有关，一般为 1020 分钟） ，系统进入准稳态，此时软件显示的傅立叶数应大于 0.5，可根据软件采集界面的显示结果记录实验数据。然后关闭测试系统开关中止实验，取下试件及加热器，使加热器在室温下冷却，待其和室温平衡后才能继续作下一次实验。6. 实验全部结束后，必须切断电源，一切恢复原状。五、数据处理和计算1.初始实验参数记录：室温： 加热器电流 I： A加热器电压 U： V 试件截面尺寸 F： 试件厚度： m 试件材料密度： /m 32.实验结果记录表序号 加热电流 热面温度 冷面温度 热流密度 导热系数 试件比热根据初始参数和实验数据即可算出导热系数和试件比热，软件自动给出了计算结果。具体计算步骤如下：先求出：热流密度 w/； cIVqF根据准稳态时的温差 t （ 热面与冷面温度之差）；准稳态时的温升速率 dt/小时；即可计算出：导热系数 w/mk ；tcq4比热 J/。d
