导热系数测定-讲稿

1、导热系数的测定导热系数的测定Nanjing, China本科生教学课程本科生教学课程传热学基本知识回顾传热学基本知识回顾 传热学基本知识回顾传热学基本知识回顾 温度场：温度场：某一时刻物体中各点温度的分布称为温度场某一时刻物体中各点温度的分布称为温度场),(zyxft ( , , )tf x y z( , )tf x y( )tf x( , , , )tf x y z( , , )tf x y( , )tf x传热学基本知识回顾传热学基本知识回顾 等温面、等温线等温面、等温线温度梯度温度梯度0gradlimntttnn nn热流量热流量单位时间内经某一给定面积单位时间内经某一给定面积A传递的热

2、量，记作传递的热量，记作，单位，单位 W。热流密度热流密度单位面积上的热流量称为热流密度，用单位面积上的热流量称为热流密度，用q表示表示，单位，单位 W/cm2。n传热学基本知识回顾传热学基本知识回顾 傅里叶定律傅里叶定律 grad ttn qn传热学基本知识回顾传热学基本知识回顾 J. Fourier, 法国，法国，1768-1830 导热系数导热系数 一种物性参数，表征材料导热能力的大小；一种物性参数，表征材料导热能力的大小； 越大，导热性能越好。越大，导热性能越好。导热系导热系数数的影的影响因素响因素多孔材料的密度多孔材料的密度状态、成分、结构状态、成分、结构 固体液体气体 金属非金属

3、晶体非晶体0.010.020.040.00.6124610204060100200400600200600100014001800空气甲烷二氧化碳苯（气态）硅藻土冰水硅砖粘土耐火砖镁砖铝（液体）高合金钢合金钢低碳钢钾（液体）锌（液体）钢（液体）锌（固体）铜铝温度温度 / K/ K 导热系数导热系数 w/(mK 温度温度一般来说，表观密度越小，材料所含低热导率一般来说，表观密度越小，材料所含低热导率的介质越多，材料的热导率就越小；但密度太的介质越多，材料的热导率就越小；但密度太小，空隙尺寸变大，对流传热和辐射传热的作小，空隙尺寸变大，对流传热和辐射传热的作用增强，材料的热导率

4、反而增加。用增强，材料的热导率反而增加。传热学基本知识回顾传热学基本知识回顾 与与t的关系的关系0=1+bt （）210211+bttt dttt2121021212ttttttbtt2101+2ttb传热学基本知识回顾传热学基本知识回顾 微元体热力微元体热力学能的增量学能的增量导热微分方程导热微分方程xxtq dydzdydzx xx dxxxxddxx xtdydz dxxx 22xxx dxtdxdydzx 微元体内热微元体内热源的生成热源的生成热tUcdxdydzVdxdydz &22yyy dytdxdydzy 22zzz dztdxdydzz 导入微元的净热量导入微元的净热量笛卡尔

5、坐标系笛卡尔坐标系传热学基本知识回顾传热学基本知识回顾 通过圆筒壁的导热通过圆筒壁的导热dd0ddtrrr1122 wwrrttrrtt单层圆筒壁单层圆筒壁Ld tf r211121ln/ln/wwwttttr rrr1221ddln/wwtttqrrrr 122122ln/wwrl ttrlqrr 21ln/2rrRl同多层平壁导热处理方法类似同多层平壁导热处理方法类似123 142113224332ln/ln/ln/wwl ttrrrrrr 多层圆筒壁多层圆筒壁传热学基本知识回顾传热学基本知识回顾 通过球壳的导热通过球壳的导热单层球壁单层球壁r1r2rr1rr2drt1t2t221 dd0

6、ddtrrrr1122 rr ttrrtt2212121111rrttttrr122124411ttr qrr 121114Rrr类似方法可得到多层球壁的热流量类似方法可得到多层球壁的热流量11411nnttrr 传热学基本知识回顾传热学基本知识回顾 通过平壁的导热通过平壁的导热220d tdx120 xttxtt211tttxt12ttdttqdx UIR12111ttq 123qqqq14312123+ttq23222ttq34333ttq传热学基本知识回顾传热学基本知识回顾 稳态平板法测定非金属材料的导热系数 特点: 公式简单,实验时间长,测量导热量和温度 恒热流准稳态平板法测定材料的导

7、热系数 特点: 公式复杂,实验时间短,需要测量温度随时间的变化主要内容主要内容热导率测量方法：稳态法和非稳态法热导率测量方法也可以根据导热热流在试样上的流向区分：如圆柱试样（轴向法、径向法）、平板法、圆球法 、同心球法等稳态平板法测定非金属材料的导热系数稳态平板法测定非金属材料的导热系数 1.巩固导热理论知识，了解建立较严格的一维稳态导热巩固导热理论知识，了解建立较严格的一维稳态导热 的实际方法。的实际方法。2.用用稳态双平板法测定非金属材料的导热系数，确立导稳态双平板法测定非金属材料的导热系数，确立导 热系数和温度之间的依变关系热系数和温度之间的依变关系, 即即=0(1 + bt)或或= A

8、 +Bt。3.学习实际问题的实验研究方法和有关测试技术。学习实际问题的实验研究方法和有关测试技术。实验目的实验目的稳态平板法测定非金属材料的导热系数稳态平板法测定非金属材料的导热系数 根据傅里叶导热定律，平板温度场的微分方程为：根据傅里叶导热定律，平板温度场的微分方程为：dxdtBtAdxdtq)(条件条件：设有一块厚度为设有一块厚度为，导热系数为，导热系数为 = A + Bt的无限大平板，的无限大平板，一侧以恒定流密度一侧以恒定流密度q（W/）加热，平板两表面的温度分别保持恒）加热，平板两表面的温度分别保持恒等于等于t1和和t2 。 边界条件：边界条件：x=0, t=tx=0, t=t1 1

9、; ; x= ,t=t x= ,t=t2 212122ttttqAB实验原理实验原理稳态平板法测定非金属材料的导热系数稳态平板法测定非金属材料的导热系数 mmBtAttBA221)(21ttqm21ttqm即在平均温度即在平均温度tm=(t1+t2)/2的条件下，板材的导热系数等于在的条件下，板材的导热系数等于在t1和和t2间材料的平均导热系数间材料的平均导热系数m。 12122ttttqABm稳态平板法测定非金属材料的导热系数稳态平板法测定非金属材料的导热系数 实验设备实验设备t t5 5 t t6 6，t t7 7 t t8 8; ; 调节辅助加热功率：调节辅助加热功率： t t1 1t

10、t2 2，t t3 3 t t4 412 mm 有机玻璃有机玻璃100 mmt tm m=(t(t5 5+t+t6 6+t+t7 7+t+t8 8)/4)/4稳态平板法测定非金属材料的导热系数稳态平板法测定非金属材料的导热系数 )()(8675ttttFkQe24eeDF21ttqm一维导热一维导热计算面积计算面积k装置功率修正系数（小于装置功率修正系数（小于1，耗能），耗能）Q装置加热量（装置加热量（U, I）2/(）辅内主外DDDe稳态平板法测定非金属材料的导热系数稳态平板法测定非金属材料的导热系数 实验步骤实验步骤1.预习预习实验报告，弄懂实验原理，了解实验装置的结构和实实验报告，弄懂实

11、验原理，了解实验装置的结构和实验方法。验方法。2.将两面已磨平的试件按图示将两面已磨平的试件按图示装入装入实验装置，并压紧。实验装置，并压紧。3.按图示接好直流稳压电源、电压表、电流表和数字电压表按图示接好直流稳压电源、电压表、电流表和数字电压表 的的连接导线连接导线；将超级恒温水浴的出水口用橡皮管并；将超级恒温水浴的出水口用橡皮管并联接联接至至两个两个冷却器冷却器，并将它们的回水用橡皮管引回恒温水浴；，并将它们的回水用橡皮管引回恒温水浴；热电偶热电偶冷端冷端置于冰瓶内，经指导教师检查认可。置于冰瓶内，经指导教师检查认可。4.调节恒温水浴上的控制温度计，设定冷却水温度，调节恒温水浴上的控制温度

12、计，设定冷却水温度，启动恒启动恒温水浴温水浴。5.5.接通直流稳压器，按预先拟定的方案，接通直流稳压器，按预先拟定的方案，调节主、辅加热器的功率调节主、辅加热器的功率，直至达，直至达实验要求。实验要求。6.6.热稳定后，每隔热稳定后，每隔1010分钟采集一次数据，共分钟采集一次数据，共采集三次采集三次。需采集的数据有各对。需采集的数据有各对热电偶输出的热电势、主加热器的电流和电压，将数据填入预先画好的记录热电偶输出的热电势、主加热器的电流和电压，将数据填入预先画好的记录表中，取三次的平均值作为计算值。表中，取三次的平均值作为计算值。7.7.需需做导热方程做导热方程时，可改变水温或主、辅加热器功

13、率，重复时，可改变水温或主、辅加热器功率，重复5 5、6 6步骤，共做步骤，共做6 68 8次实验。将实验数据进行线性回归处理，即可整理出导热方程。次实验。将实验数据进行线性回归处理，即可整理出导热方程。8.测量数据经指导教师审核后，测量数据经指导教师审核后，切断电源，结束实验，整理现场切断电源，结束实验，整理现场。稳态平板法测定非金属材料的导热系数稳态平板法测定非金属材料的导热系数 mmBtAttBA221dxdtBtAdxdtq)(稳态平板法测定非金属材料的导热系数稳态平板法测定非金属材料的导热系数 影响导热系数的参数影响导热系数的参数l试样含水量试样含水量 含水（湿）量大，导热系数大，稳

14、态法测量不准。含水（湿）量大，导热系数大，稳态法测量不准。l测试环境温度测试环境温度 环境温度低，热板的热损失大，误差大。环境温度低，热板的热损失大，误差大。l试样尺寸试样尺寸 试样面积要大于热板，小于或者接近于热板大小时，边试样面积要大于热板，小于或者接近于热板大小时，边 缘损失大，导热系数偏大。缘损失大，导热系数偏大。l试样厚度试样厚度 不小于不小于5mm，太薄易造成热通道太厚，导热系数偏大。，太薄易造成热通道太厚，导热系数偏大。注意点：注意点：l一台超级恒温水浴向两个冷却器并联供给恒温水，以一台超级恒温水浴向两个冷却器并联供给恒温水，以便保持便保持两块试材的冷却面具有相同的温度两块试材的

15、冷却面具有相同的温度。 l主、辅均热板间的隔缝在主、辅均热板间的隔缝在径向上无温差径向上无温差，这意味着它，这意味着它们之间无热量传递，主均热板表面是等温面，以便主们之间无热量传递，主均热板表面是等温面，以便主加热器功率对其试件的中央部分供应加热器功率对其试件的中央部分供应一维导热流一维导热流。稳态平板法测定非金属材料的导热系数稳态平板法测定非金属材料的导热系数 稳态平板法测定非金属材料的导热系数稳态平板法测定非金属材料的导热系数 注意点注意点l试件的厚度不宜过大。试件的厚度不宜过大。由于试件侧向散热及其径由于试件侧向散热及其径向温度梯度引起的径向导热，使得主均热板和冷却向温度梯度引起的径向导

16、热，使得主均热板和冷却器间的试件内各等温面不再是互相平行的平面，不器间的试件内各等温面不再是互相平行的平面，不能满足一维导热实验原理的要求能满足一维导热实验原理的要求, ,直径和厚度比值要直径和厚度比值要在在8 8倍以上。倍以上。 l在主、辅均热板的表面和冷却器的冷却表面共埋在主、辅均热板的表面和冷却器的冷却表面共埋设设8 8对对镍铬镍铬镍硅热电偶镍硅热电偶。稳态平板法测定非金属材料的导热系数稳态平板法测定非金属材料的导热系数 问题问题: :l 一维稳态导热是如何实现的？一维稳态导热是如何实现的？l 如何确定实验已进入稳态导热如何确定实验已进入稳态导热? ?l 可否用其测量金属材料的热导率可否

17、用其测量金属材料的热导率? ?l 能否用其测量潮湿的保温材料热导率能否用其测量潮湿的保温材料热导率? ?稳态平板法测定非金属材料的导热系数稳态平板法测定非金属材料的导热系数 稳态平板法测定非金属材料的导热系数稳态平板法测定非金属材料的导热系数 准稳态平板法测定非金属材料的导热系数准稳态平板法测定非金属材料的导热系数实验目的实验目的1.通过实验测出温度变化曲线，进一步加深了解不稳定通过实验测出温度变化曲线，进一步加深了解不稳定 导热过程的特征。导热过程的特征。2.对导热系数有比较直观的认识，并掌握快速测试材料对导热系数有比较直观的认识，并掌握快速测试材料 导热系数的实验方法和技术。导热系数的实验

18、方法和技术。实验原理实验原理准稳态平板法测定非金属材料的导热系数准稳态平板法测定非金属材料的导热系数根据导热理论，对厚度为根据导热理论，对厚度为2，初始温度为，初始温度为ti、导热系数为、导热系数为、导温、导温系数为系数为的无限大平板，当其两表面用恒热流密度的无限大平板，当其两表面用恒热流密度qw加热时，平板加热时，平板内任意点的温度可表示为内任意点的温度可表示为122122)exp()cos()()(261)(21nonowiFnxnnnxFqtt简化简化2aoF 准稳态平板法测定非金属材料的导热系数准稳态平板法测定非金属材料的导热系数当加热经过一段时间后当加热经过一段时间后,即即Fo0.5

19、时时, 61)(212xFqttowi板内各点温度随时间是板内各点温度随时间是线性变化线性变化的，而与板面垂直的坐标的，而与板面垂直的坐标X是是成抛物线关系的。如图成抛物线关系的。如图1所示。这就是不稳态导热达到所示。这就是不稳态导热达到准稳态准稳态时的温度场特征时的温度场特征。 122122)exp()cos()()(261)(21nonowiFnxnnnxFqtt准稳态平板法测定非金属材料的导热系数准稳态平板法测定非金属材料的导热系数)31(owiwFqtt)61(owicFqtttqttqwcww2)(2对于对于X=的加热面和的加热面和X=0的中心面，上式分别写成的中心面，上式分别写成其

20、中，其中，t =tw-tc 同一瞬时加热面与中心面间的温差，同一瞬时加热面与中心面间的温差，； qw单位面积平板表面所获得热流量，单位面积平板表面所获得热流量，W/m2； 平板的半宽度，平板的半宽度，m。准稳态平板法测定非金属材料的导热系数准稳态平板法测定非金属材料的导热系数试样2试样3试样4试样1加热器绝热材料实验设计实验设计:准稳态平板法测定非金属材料的导热系数准稳态平板法测定非金属材料的导热系数实实验验设设备备图图5 实验设备系统图实验设备系统图设备包括设备包括SEI-3准稳态法准稳态法热物性测定仪热物性测定仪、计算机计算机和和实验控制软件实验控制软件。 SEI-3SEI-3型准稳态法热

21、物性测定仪内实验本体由型准稳态法热物性测定仪内实验本体由四块厚度均为四块厚度均为、 面积均为面积均为F F的被测试材的被测试材重叠在一起组成。重叠在一起组成。在第一块与第二块试材之间夹着一个薄型的片状电加热器；在第在第一块与第二块试材之间夹着一个薄型的片状电加热器；在第 三块和第四块试材之间也夹着一个相同的电加热器；在第二块与三块和第四块试材之间也夹着一个相同的电加热器；在第二块与 第三块试材交界面中心和一个电加热器中心各安置一对热电偶；第三块试材交界面中心和一个电加热器中心各安置一对热电偶； 这四块重叠在一起试材的顶面和底面各加上一块具有良好保温特这四块重叠在一起试材的顶面和底面各加上一块具

22、有良好保温特 性的绝热层。性的绝热层。 用机械的方法把它们均匀地用机械的方法把它们均匀地压紧压紧。电加热器由直流稳压电源供电。电加热器由直流稳压电源供电 ，加热功率由计算机检测。，加热功率由计算机检测。 两对热电偶所测量到的温度由计算机进行采集处理，并绘出试材两对热电偶所测量到的温度由计算机进行采集处理，并绘出试材 中心面和加热面的温度变化曲线中心面和加热面的温度变化曲线。 准稳态平板法测定非金属材料的导热系数准稳态平板法测定非金属材料的导热系数准稳态平板法测定非金属材料的导热系数准稳态平板法测定非金属材料的导热系数实验步骤实验步骤1.1.用游标卡尺对试材的厚度进行测量用游标卡尺对试材的厚度进

23、行测量, ,并用天平称其称重。并用天平称其称重。2.2.将试材按实验要求装入将试材按实验要求装入SEI-3SEI-3型准稳态法热物性测定仪实验本体内。型准稳态法热物性测定仪实验本体内。（注：用手拿取试材时一定要拿试材的边缘，不要用手接触试材的（注：用手拿取试材时一定要拿试材的边缘，不要用手接触试材的 加热面，以免破坏试材的初始温度场。）加热面，以免破坏试材的初始温度场。）3.3.通计算机和通计算机和SEI-3SEI-3型准稳态法热物性测定仪电源，仔细阅读教学实型准稳态法热物性测定仪电源，仔细阅读教学实 验软件系统上的实验步骤，点击验软件系统上的实验步骤，点击“我认真阅读了实验步骤我认真阅读了实验步骤”按钮按钮. . 4.4.在相应的栏目内按要求输入试材名称、试材厚度、试材重量和预计在相应的栏目内按要求输入试材名称、试材厚度、试材重量和预计 试材导热系数（试材厚度和重量为单块试材的平均厚度和重量）试材导热系数（试材厚度和重量为单块试材的平均厚度和重量） 准备工作准备工作5.5.点击点击“测量测量”按钮并同时打开按钮并同时打开SEI-3SEI-3测定仪的加热开关。测定仪的加热开关。观察加热表面和绝热表面的温度变化过程，当两表面的温观察加热表面和绝热表面的温度变化过程，当两表面的温差不变时差不变时, ,即温差曲线走平时，表明即温差曲线走平时，表明不稳态导热