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稳态法导热系数测定实验及配套装置

一、实验目的
1、通过实验使学生加深对傅立叶导热定律的认识。
2、通过实验,掌握在稳定热流情况下利用稳态平板法测定材料导热系数的方法。
3、确定材料的导热系数与温度之间的依变关系。
4、学习用温差热电偶测量温度的方法。
5、学习热工仪表的使用方法
二、实验原理
平板式稳态导热仪的测量原理是基于一维无限大平板稳态传热模型,这种方法是把被测材料做成比较薄的圆板形或方板形,薄板的一个表面进行加热,另一个表面则进行冷却,建立起沿厚度方向的温差。图1是无限大平板导热示意图。
稳态法导热系数测定实验及配套装置
图1 无限大平板的稳态导热示意图
根据傅立叶(Fourier)定律:
稳态法导热系数测定实验及配套装置(1)
在一维无限大平板稳态传热时,方程(1)可简化为:
稳态法导热系数测定实验及配套装置 (2)
其边界条件为
x=0时, T=Tw1
x=δ时, T=Tw2
可解得下列方程
稳态法导热系数测定实验及配套装置 (3)
由式(3)可得
稳态法导热系数测定实验及配套装置 (4)
式中
λ——导热系数,W/m ·℃;
δ——试件厚度,m;
Q——热流量,w;
A——试件面积,m2
Tw1——试件下表面温度,℃;
Tw2——试件上表面温度,℃。
一般情况下,选择平板试件的尺寸要注意满足下列条件:
稳态法导热系数测定实验及配套装置
式中
D——方板的短边长度,m。
热流量Q也可以由输入电压和电阻表示为:
稳态法导热系数测定实验及配套装置(5)
式中
U——施加在加热板上的电压,V;
R——加热板上内部加热电阻丝的电阻,Ω。
将式(5)带入式(4)得
稳态法导热系数测定实验及配套装置 (6)
对应此λ的材料温度为
稳态法导热系数测定实验及配套装置(7)
根据式(7)只要知道试件面积A、电压U、电阻R、厚度δ以及在厚度δ方向上的温度差,便可求出导热系数。
三、实验设备
实验设备如图2所示。

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QY-RG26平板稳态法导热系数仪
图2 平板式稳态法导热仪的总体结构图
四、实验内容
1、根据提供的实验设备仪器材料,搭建实验台,合理设计实验步骤。调整好电加热器的电压(调节调压器),并测定相关的温度及电热器的电压等试验数据。
2、对测定的实验数据按照一定的方法测量进行数据处理,确定材料的导热系数与温度之间的依变关系公式。
3、对实验结果进行分析与讨论。
4、分析影响制导热仪测量精度的主要因素。
5、在以上分析结论的基础之上尽可能的提出实验台的改进方法。
五、实验步骤
1、利用游标卡尺测量试样的长、宽、厚度,测试样3个点的厚度,取其算术平均值,作为试样厚度和面积。
2、测量加热板的内部电阻。
3、校准热工温度仪表。
4、向水箱内注入冷却水。
5、通过调整电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率,通过4位“LED”显示主加热板和副加热板的温度,根据主加热板的温度,调整电位器改变施加在副加热板的电压,使副加热板的温度与主加热板的温度一致。利用数字电压表测量并记录主加热板电压。
6、在加热功率不变条件下,试样下表面和循环水箱下表面的温度波动每5min不超过±1℃时,认为达到稳态。此时,记录主加热板温度、试样两面温差。
7、通过数据键输入试样面积、厚度等相关参数,由试样面积、厚度、主加热板的电阻、电压、上表面温度及上均热片的上表面温度获得试样的导热系数。
8、改变电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率件,重复步骤(5至7)测量并记录多个温度下的材料导热系数。
9、 关掉电源。
六、实验要求
1、采用精度不低于0. 05 mm的厚度测量工具(游标卡尺),沿试样四周测量四处的厚度,取其算术平均值,作为实验前试样厚度。
2、用酒精将试件及均热片擦洗干净并晾干,晾干后在其上均匀涂抹导热油。
3、用调压器将电压调至一定值,保持不变,经一段时间后,待跟试件上下表面接触的铜片各点温度为一定值时,即导热过程达到稳定后记录各点温度及电热器的电压。
4、改变电加热器的电压(调节调压器),即改变电热器热量使之维持在另一个数值上,跟试件上下表面接触的铜片各点温度达到新的稳定状态后,重复第3项的测量。
5、用最小二乘法计算不同橡胶材料的导热系数随温度变化的关系式。
七、实验报告要求
1、材料温度可取材料上下表面温度的平均值,即稳态法导热系数测定实验及配套装置,其中:Tw1为试样材料下表面温度,Tw2为试样上表面温度。
2、实验报告需用专用的实验报告用纸进行书写;
3、实验报告中必须包含实验目的和实验步骤;
4、实验报告中必须包括实验数据的记录;
5、实验报告中必须包括实验数据处理的具体步骤,并有材料的导热系数随温度变化的关系式及关系曲线图;
6、实验报告中必须有对实验数据结果的分析。
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