用球體法測定粒狀材料的導熱系數一、實驗目的1、 鞏固和深化穩態導熱的基本理論，學習測定粒狀材料的熱導率的方法。2、 確定熱導率和溫度之間的函數關系。二、實驗原理熱導率是表征材料導熱能力的物理量，其單位為W/(m?K),對于不同的材料，熱導率是不同的。對于同一種材料，熱導率還取決于它的化學純度，物理狀態(溫度、壓力、成分、容積、重量和吸濕性等)和結構情況。各種材料的熱導率都是專門實驗測定出來的，然后匯成圖表，工程計算時，可以直接從圖表中查取。球體法就是應用沿球半徑方向一維穩態導熱的基本原理測定粒狀和纖維狀材料導熱系數的實驗方法。設有一空心球體，若內外表面的溫度各為t1和t2并維持不變，根據傅立葉導熱定律:dt dt(p——入A ——4兀r2九dr dr(1)r—邊界條件r—r時t—t1r時t—t2(2)1、若人=常數，則由(1)(2)式求得[W][W]4兀九rr(t一t)1212r一r21

2兀九dd(t—t)1212d—d21[W/(m?K)]p[W/(m?K)]212^dd(t—t)12122、若人工常數，(1)式變為(4)dtp——4兀r2九(t(4)dr由(4)式，得P上--f九(t)dt4兀r2r1 t1將上式右側分子分母同乘以(t2-t1)，得PA-4兀r2r1f九(t)dt一嚀 (t一t)t—t2 121九(t)dt(5)f九(t)dt式中占 項顯然就尉t—t21在t7和t2范圍內的積分平均值，用九式中占 項顯然就尉t—t2112 m m t—t21材料的熱導率對溫度的依變關系一般按線性關系處理，即九」0(1+bt)。因此,f九(1+bt)dt0 b九一召 一九[1+ (t+1)]。這時，(5)式變為m t一t 0 2 12 ''21

[W/(m?K)]? fdr9(d[W/(m?K)]m(t-1)4兀r2 2兀dd(t-1)1 2q 12 1 21式中，九為實驗材料在平均溫度t二(t+1)下的熱導率,m m2 1 29為穩態時球體壁面的導熱量，t、t分別為內外球壁的溫度，12d、d分別為球壁的內外直徑。12實驗時，應測出t、t和9，并測出d、d，然后由(3)或(6)得出九。TOC\o"1-5"\h\z1 2 1 2 m如果需要求得人和t之間的變化關系，則必須測定不同t下的九值，由m m九二九(1+bt)m1 0 m1九二九(1+bt)m2 0 m2可求的九、b值，得出人和t之間的關系式九二九(1+bt)。00三、實驗設備導熱儀本體結構和測量系統如圖1-1所示。\\\\圖1-1導熱儀本體結構和測量系統1.內球殼2.外球殼3.電加熱器4.熱電偶5.轉換開關6?冰點保溫瓶7?電位差計8?調壓變壓器9?電壓表10.電流表本體有兩個很薄的銅制同心球殼1和2組成。內球殼外徑為dl,外球殼外徑為d2,在兩球殼之間均勻填滿粒狀材料(如砂子、珍珠巖、石棉灰等)。內殼中裝有電加熱器，它產生的熱量將通過粒狀材料導至外殼，為使內外球殼同心，兩球之間有支撐桿。由試料導出的熱量從外殼表面以自然對流的方式由空氣帶走，球外商部和下部的空氣流動情況不同，外球表面溫度分布不均勻，因此在內外球殼的表面上各埋置3?6個對熱電偶，用來測量內外球殼的溫度，并取其平均值作為球壁的表面溫度。球內試料應力求松緊均勻，填滿空間，室溫應盡量保持不變，避免日光直射球殼，應防止人員走動、風等對球殼表面空氣自由流動的干擾，以便使外球殼的自然對流放熱狀態穩定，這樣才能在試料內建立一維穩態溫度場。四、實驗步驟1、 將試料烘干，并根據給定的被測材料的容量，算出儀器內所需裝填的試料重量，然后均勻的裝入球內；2、 將所有儀器儀表按圖1-1接好，并經指導教師檢查；3、 接通電源，用調壓變壓器將電壓調到一定的數值并保持不變，觀察各項測量數據的變化情況；4、 當各項數據基本不隨時間變化時，說明系統已達穩定狀態，開始測量并記錄，每隔5分鐘測一次，并測3次；5、 整理數據，選取一組數據，代入計算式，計算值九；m材料內球殼外徑外球殼內徑室溫測量內球殼夕卜面溫度。C外球殼外面溫度C電力L熱器次數123456平均123456平均電流I電壓V1236、改變電加熱器的電壓，即改變熱流，使它維持在另一數值上，當達到新的穩態后，重復步驟4和5,得到新的九值。m利用兩種情況下的九值，由(7)式求得九、b值，得出久和t之間的關系式九二九(1+bt)。m 0 0五、 實驗報告要求1、 畫出實驗裝置系統簡圖；2、 實驗過程中所測量的原始數據記錄3、 實驗表格和計算結果4、 實驗結果的誤差分析和討論六、 思考題1、 試料填充的不均勻所產生的影響是什么？2、 內外球殼不同心所產生的影響是什么？3、 室內空氣不平靜會產生什么影響？4、 怎樣判斷、檢驗球體導熱過程已達到穩態？5、 怎樣按測得的數據，計算圓球表面自然對流換熱系數？6、 球體導熱儀從開始加熱到熱穩態所需時間取決于哪些因素？

汕0 1234567^9度 熱 動勢mV-40-1475■L5I0-15441579161416481W-1,717-],75l-1,785-30-1.121■L157-1.19212281.263-],2W13341370-],405-1,440-2C-0.757-0.W■0.830■4).867〔財30,976-1,013?】39-1,085-10-0.4210.45S(*495(*.534■0.571(1602(16460,683^),7200--0.000-0.039-0.077-0.116-OA544).193-0.231-0.269-0.307-0.345(H-0.0000,07?■1170」560.195O.2.M0.2730312035J10039104300.4700.5100.W0.5890.6590.6690.709().749200.7890,870OJ110,95]0.9921畑2133L1141155301.1961237L279132(1136114)3L.4441.4K6152R1.569?川L611IJS531咖1.7381.7801.8221.865I.WL950L9925020352.07821212.1642.2072.2502.2942.3372.38()活1602.4672J1115552,59?2,6432.6&717312.7752r&192rSM70290S￡95329973.0423.O&73.1313.1763221J266.i_3I28033573.4023,4473,4933.5383,5843,6303.6763.72〕3767903.S133.8593,9063.9523.99M4,0444.0914.1374.1844?23l1004.2774.3244,3714.4184.4654.5124,5594.6074r6544.701110474947964.S44腫4,9394.9K75.0355.0SJ5J315275532453725.4205.4695.5175.5665.6155.6^31305.712?.7615.8105.8595.WS5,9576.0076,0566JO56.1551406204625453&站」6.4036.4526.5026.5526.6026.65215067026J536lR036.853&9036.9547.0047.0557JW7.1501607.20772587.3097.36(17.4117.4627.5137.5647.6157.6601707.7187.769徳17.8727.9247J758.027S.O7|S.131S.183180S235S^878339K.391&443K.495K.54SK/iOfl8.6528.705190S757SS10罠K638.9158.96K9.0219.074?.1272009.28693399,3929.4W9,5539,606y,659971397672109.8309S749.9289.9R210.03610.0901(1.14410.1