1、穩態平板法測定絕熱材料導熱系數實驗一 . 實 驗目的1.鞏固 和深 化 穩定 導熱 過程的 基 本 理 論 ， 學 習用 平板 法 測 定 絕 熱材 料導 熱 系 數的 實 驗方 法和 技 能。2.測定 試 驗 材料 的導 熱 系 數。3.確定 試 驗 材料 導熱 系 數 與溫 度的 關 系 。二 .實 驗原 理導熱 系數 是 表 征材 料導 熱 能力 的 物 理 量。 對 于 不同 的材 料 ， 導 熱 系 數 是不 同的 ；對 同 一材 料，導 熱 系 數還 會隨 著溫 度、壓 力、濕 度、物 質 的 結 構和 重度 等因 素而 變異 。各種 材 料的 導熱 系 數 都用 試驗 方法 來測

2、定 ，如 果 要 分別 考慮 因 素 的影響 ，就 需要 針 對各 種因 素 加以 試 驗 ，往往不 能只在 一種 試 驗 設備 上 進 行。穩 態平 板法 是一 種應 用 一維 穩態 導 熱過 程 的 基本 原理 來測 定材 料 導 熱系數 的 方法 ， 可 以 用 來進 行導 熱系 數 的測 定試 驗 ，測 定 材 料的 導熱 系數 及其 和 溫 度的關 系 。試驗 設備 是根 據 在 一 維 穩態 情況 下通 過平 板 的 導熱 量q 和 平 板兩 面的 溫差t成 正 比， 和平 板 的厚 度 成正 比， 以及 和導 熱 系 數成 正 比的 關系來 設計的 。我 們 知 道， 通過薄 壁

3、平 板 （壁 厚 小于 十 分 之一 壁長 和 壁 寬） 的穩 定 導 熱量 為ftqw 測定 時，如 果 將平 板 兩 面的溫 差lrttt、平 板 厚度、垂直 熱 流方 向 的 導熱 面 積 f 和通 過 平 板的 熱流量 q 測定以 后 ， 就 可以根 據 下式 得 出導 熱系數 ：ftq)/(cmw需 要 指出，上 式 所 得 的導 熱系 數是 在當時 的平 均 溫 度下 材 料 的導 熱系 數 值，此 平 均溫 度 為：)(21lrttt c1 在 不 用的 溫度 和 溫差 條 件 下測 出相 應的值，然 后 將值 標 在t坐 標圖 內，就可 以 得出)(tf的 關系 曲 線 。三

4、.實 驗裝 置 及 測量 儀表穩態 平板 法測 定絕 熱 材 料導 熱系數 的 試試驗 裝置 如 圖 1 和 圖 2 所示 。被試 驗材 料 做 成二 塊方 形 薄 壁平 板試 件 ， 面積為3003002mm， 實際 導 熱 計算 面 積 f 為 2002002mm， 板 的 厚度 為2mm，平 板試件 分別被 夾 緊在 加 熱 器的 上 下熱 面和 上 下水 套 的 冷面 之間 。 加熱 器 的 上下 面和 水 套 與 試件 的接 觸面 都設 有銅 板 ，以使 溫度 均 勻 。利 用薄膜 式 加熱片 實現 對 上、下 試件 熱面 的 加 熱，而 上下 導熱 面 積水 套的 冷 卻面 是 通

5、 過循 環冷 卻水（ 或 通 過 自來水 ）來 實現 的 。在 中 間 2002002mm部位 上安 設的 加 熱 器 為 主 加 熱器 。 為 了 使 主 加 熱 器 的熱 量能 夠 全 部 單 向通 過 上下 兩個 試 件，并 通 過 水 套的 冷 水 帶走，在 主 加熱 器四 周（ 即 2002002mm之 外 的四 側）設 有 四 個輔 助加 熱器（ 14） ，利 用 專 用的 溫度跟 蹤控 制 器 使主 加 熱 器以 外 的四 周保 持 與中 間 主 加熱 器的 溫度 一致 ，以免 熱流 量 向 旁側 散失。主 加 熱器 的中 心 溫度 t1(或 t2)和水 套冷 面 的中 心 溫度

6、 t3(或 t4)用四 個熱 電偶（ 埋 設 在銅 板 上 ）來測 量：輔 助 加熱 器 1 和 輔 助加 熱器 2 的 熱面也 分別 設置 兩個 輔助 電偶 t5和 t6（ 埋 設在 銅 板的 相應 位 置上 ） ，其中 一個 輔 助 電偶 t5(或 t6)接到 溫度 跟蹤 控 制 器上 ，與主 加熱 器 中心 接來 的 主熱 電 偶 t2（ 或 t1）的 溫 度 訊 號相 比較 ，通 過 跟 蹤 器使 全部 輔助 加熱 器 都跟 蹤到 與主加 熱器 的 溫 度相 一致 。 而 在 試 驗進 行時 ， 可 以 通 過熱 電偶 t1(或t2)和 熱電 偶 t3(或 t4)測 量出 一個試 件

7、的兩 個 表 面的 中心 溫 度。 也可 以再 測量 一個 輔助 電 偶的 溫度 ，以 便 與 主 熱電 偶的 溫度 相比較 ，從 而 了 解主 、輔加 熱器 的控 制和 跟蹤 情 況。溫 度是 利 用 電位 差計 和轉 換開關 來測 量 的，主 加 熱 器 的電 功率 可以 用電 功率 表 或電 壓表 和 電流 表 來 測量 。2 上水冷箱下水冷箱試件1試件2輔助加熱器主加熱器輔助加熱器上水冷箱下水冷箱輔助加熱器2輔助加熱器3輔助加熱器4主加熱器輔助加熱器1圖 2 試驗 臺 的電 路 聯結 圖（ 用電 位 差計 測 溫 未 示出 ）3 附 試 驗 臺 主要 參數1.試驗 材 料 ：2.試 件

8、 外型尺 寸 ：300 3002mm3.導 熱 計算面 積 f： 2002002mm（ 即 主 加熱 器的 面 積 ）4.試 件 厚度 ： （ 實 測 ）5.主 加 熱器電 阻 值：6.輔 加 熱器（ 每 個） 電阻 值 ：7.熱 電 偶材料 ： 鎳鉻 鏮 銅8.試 件 最高加 熱 溫度 ： 80 c四 .實 驗方 法 和 步驟1.將兩 個 平 板試 件仔 細 地 安裝 在加 熱 器 的上 下面，試 件 表面 應與 銅 板嚴 密 接觸 ，不 應 有空 隙存 在 。 在試 件、 加熱 器 和水 套 等 安 裝入 位后 ， 應 在 上 面加 壓 一定 的 重物 ，以 使 它們 都能 緊 密接 觸

9、。2.聯接 和仔 細 檢查 各接 線電路 。 將 主 加 熱 器 的兩 個接 線 端 用 導 線接 至主 加 熱 器電 源 ：而 兩個 輔助加 熱器 經 兩 兩并 聯后 再 串 聯 成 串聯 電路 （ 實 驗臺 上已 聯 接 好 ） ，并 按 圖 2 所示 聯 接到 輔 助 加熱 器上 。電 壓表和 電流 表（ 或電 功率 表 ）應 按 要 求接 入電 路 。 將 主 熱 電偶之 一 t2（ 或 t1） 接 到 跟蹤 控 制 器面 板上 左 側 的 主熱 電偶 接線 柱上 ，而 將 輔助 熱電 偶 之一 t5(或 t6)接 到 跟蹤 控 制 器 上的相 應接 線 柱 上。把 主熱 電偶 t1(

10、或t2)、水 套冷 面 熱 電偶 t3(或 t4)和輔 助熱 電 偶 t5(或 t6)都接 到熱 電偶 轉 換 開關 上，轉 換開 關 與電 位差 計 的“ 未 知 ”相 接。3.檢查 冷卻 水 水泵 及其 通路能 否 正 常 工 作 ， 各熱 電偶 是 否 正 常 完好 ，教 正 電 位差 計 的零 位。4.接通 加熱 器 電源 ，并 調節到 合 適 的 電 壓 ， 開始 加溫 ， 同 時 開 啟溫 度跟 蹤 控 制器 。在 加溫 過程 中 ，可 通 過各 測溫 點的測 量來 控 制 和了 解 加 熱情 況。開始 時 ，可 先不 啟 動冷 水泵 ，待 試 件的 熱 面溫度 達 到一 定水 平

11、 后 ，再啟 動 水 泵（或 接通自 來 水） ，向 上 下水 套通 入 冷卻 水 。試驗 經 過 一段 時間后 ，試 件的熱 面溫 度 和 冷面 溫度 開始 趨于 穩 定。在 這個 過程 中 可 以適 當調 節主 加熱器 電源、輔 助加 熱器 電 源 的電壓 ，使 其更 快 或更 利于 達 到穩 定 狀 態。待 溫 度基本 穩定 后，就 可以 每 隔 一段 時間 進行 一次 電功 率 w（ 或電 壓 v 和電 流 i） 讀數 記 錄 和溫 度測 量， 從而 得 到 穩定 的 測試 結果 。4 5.一個 工況 試 驗后 ，可 以將設 備 調 到 另 一 工 況， 既調 節 主 加 熱 器功 率

12、后 ， 再 按上 述 方法 進行 測 試得 到 另 儀共 況的 穩定 測試 結 果。調 節 的 電 功率 不宜 過 大，一 般 在510w 為 宜 。6.根據 實 驗 眼球 ，進 行 多 次共 況的 測 試 。 （ 共 況 以從 低溫 到 高 溫為 宜） 。7.測試 結 束 后，先 切 斷加 熱器 電源 ，并 關 閉 跟 蹤器 ，經 過 10 分 鐘左 右再 關 閉 水泵 （ 或停 放自 來 水） 。五 .實 驗結 果 處 理實驗 數據 取 實 驗進 入穩 定 狀 態后 的連 續 三 次穩 定結果 的平 均值 。導 熱量 （ 即 主加 熱 器的 電功 率 ） ：q=w （或 iv）ww 主 加

13、熱 器的 電 功 率值wi 主 加熱 器的 電 流 值av主 加 熱 器 的電 壓值v由于 設備 為 雙 試件 型， 導 熱量 向 上 下 兩 個 試件 （試件 1 和 試件 2）傳 導， 所 以）（或viwqqq212221w試件 兩面 的 溫 差：lrttt ctr 試 件的 熱面 溫 度 （即 t1或 t2） ctl 試 件 的 冷面 溫度 （ 即 t1或 t2） c平均 溫度 為2lrttt c平均 溫度 為 t 時 的 導 熱系 數：)(2()(2fttvifttwlrlr或cmw/將不 同平 均溫 度 下 測 定 的 材 料 導 熱 系 數 在t坐 標中 得出t的 關 系 曲 線

14、，并 求 出)(tf的關系 式 。5 溫度跟蹤器使用說明一 .安 全 警示本儀 器應 按 使 用說 明，由 于 溫 度跟 蹤內 有 高 壓電路（ 電 源為 220v ）,因而 不能 隨意 開 箱， 以免 造 成事 故 或 電路 故障 。二.使用方 法1.將穩 態導 熱 儀主 體上 的一個 主 熱 電 偶 和 一 個輔 熱電 偶 的 引 出 端分 別聯 接 到 跟蹤 器 前面 板上 的 相應 接 插 座上 。熱電 偶 的“ +”端接 紅色 插 座， “ ”端接 黑色 插 座 ，不 要 接錯 。2.將主 加熱 器 聯接 到主 加熱電 源 （ 主 調 壓 器 ）電 路中 ， 再 接 入 一個 測量

15、熱 功 率的 電 功率 表（ 或 電壓 和 電 流表）。3.將后 面 板 中間 位置 上 的 兩個 控制 引 出 端如 同開關 一 樣串 接于 4 個 輔加 熱 器 和輔 加 熱電 源(輔 調 壓器 )電路 中 (參見 電路 聯 接 圖)。4.準備 試驗 時 ，將 主加 熱器的 電 源 （ 主 調 壓 器） 電壓 調 到 合 適 的電 壓值 上 （ 根據 加 熱要 求，可 在 3060v 之間選 用） ：輔 助 加 熱電源（ 調壓 器 ）的電 壓 始 終 調到 約2 倍于 主 加 熱電 源電 壓 的 值上。用 50v 以 上的 電壓 加熱 時，必 須 注意升 溫情 況 ，以免 過 熱而 造成

16、式 樣和 設 備 損壞 。5.檢驗 無 誤 后，接 通主 加 熱 器和 輔助 加 熱 器電 源， 并將 溫 度 跟蹤 器的 電源 接上 ，打 開 開關，即 可 加 熱 和進 行自 動溫 度跟 蹤 。同 時，開 動 水 泵 ，向 上 下水 套通 入 循 環冷 水 。試 驗臺 電路聯 接 圖在后面板輔助熱電偶輔助加熱器主加熱器主熱電偶溫度跟蹤控制器輔助加熱器電源 主加熱器電源6 （ 用 電 位 差 計 測 溫 未 示 出 ）6.系統 運 行 約一 小時 后 ， 即可 開始 對 試 件的 熱面溫 度 tr、 冷 面 溫度 tl進 行 測 試和 記 錄。 以后 ， 每隔 一 段 時間 （例 如 30

17、分鐘 ） 進 行一 次 溫度 測 試 和記 錄， 直到 得到 穩 定的 測試 結 果為 止 。 最后 ，再 進行 一次 電 功 率的測 定 。7.如果 比較 長 時間 的測 試過程 中 ， 發 現 熱 面 溫度 升溫 過 快 （ 過 慢） 或過 高 （ 過低 ） ，切 冷面 溫 度 也不 易穩 定 時 ，可 適當 減低 （ 提 高）主 加熱 電源 的 電 壓， 并同 時改 變 輔加 熱器 電 源的 電 壓 （仍 保持 為主 加熱 電 壓 的 2 倍 左 右） ，使 冷、 熱面 的 溫 度趨 向 穩定 。三.故障診 斷跟蹤 器在 正 常 工作 時， 其 綠 色小 指示 燈 將 時亮 時滅， 表示

18、 輔加 熱器 時接 時 斷 ，正 常 進行 溫度 跟 蹤。若 指 示燈 長時 間不 亮或長 時間 不滅 ，可 能有 三 種 情況： 熱 電偶 “ +” 、 “ ”端 接 反 輔 加熱 電 源 加壓 不夠 高 電路 聯接有 問題 ， 可 停機 后進行檢 查 更正 。7 穩態平板法測定絕熱材料導熱系數實驗實驗報告（例題）一 .試 驗裝 置 電 路聯 接圖溫度跟蹤控制器輔助加熱器電源主加熱器電源主加熱器輔助加熱器輔助熱電偶主熱電偶在后面板試 驗臺 電路聯 接 圖（ 用 電 位差計 測溫 表 示 出）二 .試 驗記 錄試 驗材 料： 聚 氯乙 烯事 件外 型尺 寸 ：300300mm2事 件導 熱面

19、積 ：200200mm2(即主 加熱 器 面 積)事 件厚 度 ： 15mm主 加熱 器電 阻 值： 100輔 加熱 器電 阻 值： 425熱 電偶 材料 ： 鎳鉻 -鏮銅注t,t為熱 電偶用 電位 差 計 測出 的毫 伏 數 換算 出的讀 數 溫度 ， 實 際 溫 度=讀 數 溫度 +環境溫 度8 實 驗 記 錄 表測 讀 時 間時 分試 件 中 心 位 置熱 面 溫 度tr(c)試 件 中 心 位 置冷 面 溫 度tl(c) t(tr-tl)(c)q(w)備 注9:6016.25-2.38試 驗 最 后 的 室溫 :22c,冷卻 水 溫 :27c10:3021.5- 1.510:6027.

20、6-0.7511:3029.95011:60331.2512:3034.752.3512:6035.332.9713:3033.82.9513:6031.523.3314:3032.73.9714:6031.974.2215:3032.254.7315:6032.574.9316:6033.15.116三 .實 驗 結 果 處 理ftq2取 實 驗 記 錄 中 最 后 四 點 穩 定 的和值 ， 計 算 出 它 們 的 平 均 值 ：ctctrr74. 4410.593.437.422.447.32410.3357.3225.3297.31冷 ， 熱 面 的 溫 差9 /11.004.073.

21、272015. 01673.2774. 447.32cmwct附 錄鎳 鉻-銅鎳 （鏮 銅 ） 熱電 偶 （ e 型 ）溫 度-微 伏 對 照表v v v v v vvvv v溫01234567890059118176235194354413472532105916517117708308909501010107111312011921252131313731434149515561617167817403018011862192419862047210921712233229523574024202482254526072670273327952858292129845030483111317432383301336534293492355636206036583749381338773942400640714136420042657043304395446045264591465647224788485349198049855