非稳态法测材料的导热性能 实验报告
5页1、非稳态(准稳态)法测材料的导热性能一、实验目的测量绝热材料(不良导体)的导热系数和比热、掌握其测试原理和方法。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:时, x=0处, 处, 方程的解为: (1)式中:时间(s); 平板的导热系数(w/m);平板的导热系数(m2/s); n=1,2,3,;F0 傅立叶准则; 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);随着时间的延长,F0数变大,式(1)中级数和项愈小。当F00.5时,级数和项变得很小,可以忽略,式(1)变成: (2)由此可见,当F00.5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。在准态时,平板中心面x=0处的温度为:平板加热面x=处为: (3)此两面的温差为:如已知qc和,再测出t,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
2、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为试件的横截面(m2);C为试件的比热(J/kg);为试件的密度(kg/m3),1200 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、实验装置(图2)按上述理论及物理模型设计的实验装置如图2所示,说明如下:1试件试件尺寸为200mm200mm,共四块,尺寸完全相同,=10mm。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200mm200mm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
3、电偶测量试件2两面的温度及试件2、3接触面中心处的温升速率。实验时,将四个试件齐迭放在一起,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,温度传感器的放置如图2。 四、实验步骤(见PC机界面说明)1、用卡尺测量试件的尺寸:面积F和厚度。2、按图2放好试件、加热器和温度传感器,接通电源。3、接通电源,给加热器通以恒定电流,(实验过程中,电流不允许变化),同时启动秒表,每隔一分钟记录试件2两侧热电势(由热电势查温度值),经一段时间后(随所测材料而不同,一般在10-20分钟)系统进入准稳态。4、第一次实验结束,将加热器开关K切断,取下试件及加热器,用电扇将加热器吹凉,待其和室温平衡后才能继续作下一次实验。但试件不能连续做实验,必须经过四小时以上放置,使其冷却至与室温平衡后,才能再作下一次实验。5、实验全部结束后,必须切断电源,一切恢复原状。五、实验数据记录和处理试件截面尺寸F:0.20.2 试件厚度:0.01 m试件材料密度=1200 /m3 加热功率P: w时间分0123456热电势mV1234时间分78910111213热电势mV1234 计算:计算热流密度w/ 准稳态时的温差t(平均值) 准稳态时的温升速率 /S 然后,即可计算出试件的导热系数w/mk 和比热cJ/
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