天津大學熱工基礎與應用實驗報告學校院系：天津大學機械工程學院指導教師：劉靖學生姓名：曹臣鵬準考證號：020213400346實驗7用球體法測量導熱系數實驗一、實驗目的學習用球體法測定粒狀材料導熱系數的方法。了解溫度測量過程及溫度傳感元件。二、實驗原理1.導熱的定義：導熱是指物體內的不同部位因溫差而發生的傳熱，或不同溫度的兩物體因直接接觸而發生的傳熱。2.溫度場非穩態t=f（x,y,z,）穩態t=f(x,y,z)一維穩態t=f(x)上式中x,y,z為空間坐標，為時間3溫度梯度等溫面法向溫度增量△t與距離n的極限比值的極限。即：4傅里葉定律傅里葉定律的文字表述：在導熱現象中，單位時間內通過給定截面的熱量，正比例于垂直于該界面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。Q=-=-其中Q為導熱量，單位為W；A為傳熱面積，單位為m2；T為溫度，單位為K；x為在導熱面上的坐標，單位為m。5．導熱系數=-;為導熱系數，w/m.k6.影響的因素1）溫度、密度、濕度及材料的種類的等因素。對流傳熱過程是流體與壁面間的傳熱過程，所以凡是與流體流動及壁面有關的因素，也必然影響對流傳熱系數的數值，實驗表明傳熱系數值與流體流動產生的原因。流體的流動形態、流體的物性、流體有無相變和加熱面的幾何形狀、尺寸、相對位置等因素有關。一般來說對性質相近的流體，強制對流的傳熱系數大于自然對流的傳熱系數。湍流流動的對流傳熱系數大于層流流動的對流傳熱系數，對于同一種流動形態，流速越大，對流傳熱系數越大。流體的物性有流體的粘度、導熱系數、密度、比熱容、體積膨脹系數等。對于有相變的傳熱，還有相變熱的影響，除粘度外，其余的物性，隨著其增加，對流傳熱系數相應增大。對于同一種流體，有相變的傳熱系數大于無相變的傳熱系數。傳熱的形狀、大小、相對位置影響傳熱，如冬天房間采暖，應將加熱壁面放置空間的下部，反之，夏天的冷卻裝置，應放置空間的上部。2)與溫度呈線性關系7.一維穩態圓筒壁導熱公式的推導穩態導熱柱坐標系：圓筒壁就是圓管的壁面。當管子的壁面相對于管長而言非常小，且管子的內外壁面又保持均勻的溫度時，通過管壁的導熱就是圓柱坐標系上的一維導熱問題。一維、穩態、無內熱源、常物性：第一類邊界條件：對上述方程(a)積分兩次:圓筒壁內部的熱流密度和熱流分布：求導熱流密度：熱流量：8.球體法適用于測定顆粒狀(或粉末)材料的導熱系數。如圖2所示。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：（1）邊界條件（2）1、若λ=常數，則由（1）（2）式求得[W][W/(m·K)](3)2、若λ≠常數，（1）式變為圖2球殼導熱過程（4）由（4）式，得將上式右側分子分母同乘以（t2－t1），得(5)式中項顯然就是λ在t1和t2范圍內的積分平均值，用表示即，工程計算中，材料的熱導率對溫度的依變關系一般按線性關系處理，即。因此，。這時，(5)式變為[W/(m·K)]（6）式中，為實驗材料在平均溫度下的熱導率，為穩態時球體壁面的導熱量，分別為內外球壁的溫度，分別為球壁的內外直徑。實驗時，應測出和，并測出，然后由（3）或（6）得出。如果需要求得λ和t之間的變化關系，則必須測定不同下的值，由（7）可求的值，得出λ和t之間的關系式。實驗設備如圖3所示，實驗設備組成包括：球體導熱儀本體、實驗臺手動測試系統、計算機測量系統、數字儀表測量系統。球體導熱儀本體是兩個球殼同心套裝在一起，內球殼外徑為d1，外球殼內徑為d2，在兩球殼之間填充實驗粒狀材料，熱量由裝入內球殼中的球`形電加熱器加熱得到。熱量穿過內球壁和被測材料到外球殼，外球殼通過自然空氣對流方式進行冷卻。內外球殼分別埋設2對熱電偶，由于對流狀況不一樣，故需測量多次，并取其平均值作為球殼溫度。安裝實驗設備時要注意不能讓實驗室的日光燈直接照射到在到球體上，實驗人員也要禁止走動，以防對測量結構產生影響。球體法便于測定各種散狀物料（如沙子、礦渣、石灰等）的導熱系數。手動測試系統通過實驗臺操作完成手動測量數據，其中，功率測量由電壓表和電流表檢測得到，溫度測量由電位差計檢測得到。計算機測量系統通過計算機運行監測主畫面，實時顯示實驗測量數據，并計算得到導熱系數的測量值等。數字儀表測量系統通過數字儀表機柜，直接測量得到球壁溫度值和熱流功率值。實驗方法及實驗數據確認所在實驗臺上電壓表、電流表工作量程及指針讀數單位換算。學會用電位差計測量熱電偶信號操作要領。對球體進行加熱，待加熱穩定后，記錄4個溫度測量點數據，讀表得到電壓、電流數據，以后每隔5~8分鐘測一次，實驗中再取2次內外殼的溫度，再分別取平均值，將實驗數據記錄在表7-1中。改變電功率，重復以上步驟，重復1次。測得mv再查銅鏮銅mv-t曲線/表得出to。圖3球體導熱儀實驗裝置原理結構圖實驗數據整理完成表7-1、表7-2的實驗數據記錄、計算及整理工作。六、實驗報告1.結合課堂講授的理論及實驗內容，學生要提供自編的實驗報告書。2.學生要根據自己所進行的實驗獨立認真地撰寫實驗報告。要求字跡工整、數據準確、觀察現象的文字描述層次清晰并應結合理論教學中的知識對實驗結果給出分析和評價。七、思考題1．簡述用球體法測量材料的導熱系數的優缺點？2．如果安裝內外球殼時略有偏心，導熱系數的測定是否會受到影響？為什么3．試說明懸掛在空中的實驗球體，外球殼表面的換熱方式？如果球殼表面有空氣流動或有陽光照射，對導熱系數的測量有沒有影響？為什么？表7-1實驗測量數據記錄表記錄人：同組人：時間：實驗參數實驗數據實驗臺球殼溫度內球殼溫度℃外球殼溫度℃試材名稱測量12341234mv℃mv℃mv℃mv℃mv℃mv℃mv℃mv℃1容重23外球直徑內平均溫度t1=外平均球溫度t2=內球直徑加熱功率電壓U(V)電流I(A)功