1、教學實驗2006穩態平板法測定材料導熱系數(平板導熱儀指導書穩態平板法測定材料導熱系數實驗指導書一. 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

2、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,通過薄壁平板(壁厚小于十分之一壁長和壁寬的穩定導熱 量為 F t Q =w測定時,如果將平板兩面的溫差L R t t t -=、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:F t Q = /(C m W 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:(21L R t t t += C

3、在不同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(t f = 的關系曲線。三.實驗裝置及測量儀表穩態平板法測定材料導熱系數的試驗裝置如圖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300×300mm,實際導熱計2算面積F為200×200mm,平板試件分別被夾緊2mm,板的厚度為 (實測2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。利用薄膜式加熱片來實現對上、下試件熱面的加熱,而上下導熱面積水套的冷卻面是通過循環冷卻水(或通過自來水來實現的。在中間200×200mm

4、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2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200×200mm之外的四側設有四個輔助加熱器,測試時控制使主加熱器以外的四周2保持與中間主加熱器的溫度相一致,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t3(或t4用四個鎳鉻-康銅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鎳鉻-康銅熱電偶t5和t6(埋設在銅板的相應位置上。其中輔助熱電偶t5(或t6接到溫度巡檢儀上,與主加熱器中心的主熱電偶t1(或t2的溫度相比較,通過跟蹤調節使全部輔助加熱器都跟蹤

5、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測量出一個試件的兩個表面的中心溫度。也可以再測量一個輔助熱電偶的溫度,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。溫度是利用萬能信號輸入8電巡檢儀測量的,主加熱器的電功率可以用直流穩壓電源的電壓表和電流表來測量。Q=IU (W注:本試驗臺的外圍應有保溫材料,以免熱量向周圍散失過多;試件安裝到位后關閉左右保溫門。電控柜價格很高,應引起注意。配套的平板導熱儀軟件,該軟件界面友好,可以在界面上直接顯示各個熱電偶的溫度,熱流功率,還可以直接計算出導熱系數加以顯示。對于水冷箱,若是用自來水直接冷卻

6、,則可以直接接上自來水管,但是經加熱后的水若是直接排入下水道,會造成很大的浪費。因此,建議在本平板導熱儀的下部加一水箱,用以盛水,再配套加一小水泵。水泵從水箱取水,然后流經水冷箱,經加熱后的水再回到水箱,此水箱不用保溫,最好用鐵制容器,散熱性能好。 圖1 試驗臺(平板導熱儀結構示意圖附試驗臺主要參數1.試驗材料:2.試件外型尺寸:270×270mm23.導熱計算面積F:200×200mm(即主加熱器的面積24.試件厚度:(實測5.主加熱器電阻值:100 6.輔加熱器(每個電阻值:4×257.熱電偶:E型8.試件最高加熱溫度:80C9.主加熱器電壓直流050V,電流

7、02A (可調10.輔助加熱器電壓直流050V,電流02A (可調四.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,或用自動控制壓緊裝置壓緊,以使它們都能緊密接觸。 圖2 試驗臺(平板導熱儀面板電路聯結圖2.聯接和仔細檢查各接線電路。將主加熱器的兩根導線接到儀表箱的主加熱器電源接線端子上:而兩個輔助加熱器是經兩兩并聯后再串聯組成的串聯電路(實驗臺上已聯接好,同樣將輔助加熱器的兩根導線接到儀表箱的輔助加熱器電源接線端子上。電壓表和電流表(或電功率表應按要求接入電路。將測溫熱電偶t1、

8、t2、t3、t4、t5、t6、的導線接到配電箱對應的接線端子上。關閉主、輔加熱電源開關及水泵開關;打開總電源開關。并檢查各熱電阻信號(溫度是否正常(基本一致。3. 打開水泵開關,檢查冷卻水水泵及其通路能否正常工作,調節水閥門開度應盡量一致。4.接通主加熱器電源,并調節到合適的電壓(建議由低至高間隔5V或10V逐漸分段加熱,開始加溫,然后開啟輔助加熱電源使加溫電壓與主加熱器電壓接近,一段時間后,觀察輔助加熱面的溫度是否與主加熱面的溫度一致,然后適當調整輔助加熱器的電壓(高則降低、低則增加來跟蹤調整使主、輔加熱溫度相一致。在加溫過程中,可通過各測溫點的測量值來控制和了解加熱情況。開始時,可先不啟動

9、冷水泵,待試件的熱面溫度達到一定水平后,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。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后,再按上述方法進行測試得到另一工況的穩定測試結果。調節的電功率不宜過大,一般在510W為宜。6.根據實驗要求,進行多次工況的測試。(工況以從低溫到高溫為宜。7.測試結束后,先切斷加熱器電

10、源,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I·VWW主加熱器的電功率值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V I W Q Q Q =212221 W 試件兩面的溫差:L R t t t -= C t R 試件的熱面溫度(即t 1或t 2 C t L 試件的冷面溫度(即t 1或t 2 C 平均溫度為 2LR t t t +=C 平均溫度為t 時的導熱系數: (2(2Ft t V I Ft t

11、W L R L R -=或C m w /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,并求出(f =的關系式。附:巡檢儀設置 第1、2、3、4、5、6通道二級參數設置:按SET鍵,在PV視窗顯示CLK,SV視窗顯示132的情況下,同時按下SET 鍵和鍵30秒,進入二級參數設定: 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二.試驗記錄試驗材料:聚氯乙烯試件外型尺寸:270×270mm2試件導熱面積:200×200mm2(即主加熱器面積試件厚度:20mm主加熱器電阻值:100輔加熱器電阻值:4×25測溫原件:熱電偶實驗記錄表 三