热工学实验讲义(2013-2014).doc

热工学实验讲义实验一 非稳态（准稳态）法测材料的导热性能实验实验二 材料表面的法向辐射率的测定实验一 非稳态（准稳态）法测材料的导热性能实验一、实验目的1. 加深对非稳定态导热过程基本理论的理解。2. 测量绝热材料（不良导体）的导热系数，掌握其测试原理和方法。二、实验原理工程上发生的导热过程绝大部分都是不稳定的，如间歇式操作的窑炉壁、任何窑炉中制品的加热与冷却，以及任何连续操作窑的开始与停止作业的最初一段时间的温度都是不稳定的。所以不稳定导热的过程实质上就是加热或冷却的过程。非稳态法测定隔热材料的导热系数是建立在不稳定导热理论基础上，并根据不稳定导热过程的不同阶段的规律建立起来的测试方法。主要有正规工况法、准稳态法和热线法。与稳态法相比，该法具有对热源的选择上要求较低、所需的测定时间短（不需要热稳定时间）并可降低对试样的保温要求的优点。不足之处在于很难保证实验中的边界条件与理论分析中给定的边界条件相一致，且难以精确获得所要求的温度变化规律。但由于该法的实用价值，业已广泛地应用于工程材料的测试上，特别是在高温、低温或伴随内部物质传递过程时的材料热物性测试中具有显著的优势。本实验是将一根直径很小的金属导线置于初温为t0的试件物体中间，然后通电加热，其热流q=IV（I为电流，V为电压）。于是，在被测试物体中间形成了以加热导线为轴心的长圆柱体瞬态温度场。显然，试样各处的温度t是r与时间的函数，以t（r，）表示。当热扩散系数a为常数且忽略热流沿加热导线的轴向传播时，相关的数学表达式为： (1) (2) (3)式中：，其中与分别为试样的密度和比热，r为圆柱坐标系的径向坐标值，l为导线长度，r0为导线表面处径向坐标值。若设，则联立（1）、（2）、（3）可得方程的解为： （4）式中： 导热系数，W/(m.k); 加热电流，A; 热线两瑞电压，V; 导线长度，m; 加热电流接通后测量的时间，min; 热线在时的对应温度，oC。三、实验装置本实验采用的是湘潭华丰仪器制造有限公司生产的DRX-I-RX导热系数测试仪。按上述理论及物理模型设计的实验装置原理及实物如下图所示。 图1.实验装置原理及实物图四、实验方法和步骤1、试样装填时应先在试样上确定埋放测温电偶与热线的位置并开槽，测温电偶与热线放好后，应用试样同等材质的粉末掩盖。2、根据测试温度（200-500oC）设定升温参数。升温参数设定举例如下：升温曲线设置步骤：先按控温仪表上的 进入升温曲线编排，此时按 或 修改当前参数，修改完后通过按面板上的进行确认，同时进入下一个参数，当参数修改完后同时按下 与 退出升温曲线设定。以下以升温到200度测试为例设置升温曲线：C 010.0 oC T 0120 minC 02200 oCT 0260 minC 03200 oCT 04-1212、启动电源开关，并将计算机开启，启动测试软件，设定好实验参数（加热丝为铂丝，实验测试温度），进入测试界面。3、打开绿色“启动”开关，并点击测试界面的“实验启动”启动仪器升温，同时测试软件对样品状态进行检测。4、当仪器升温到测试温度恒温状态时，测试软件会自动检测并给予用户提示，当弹出提示时，用户只需点击“是”并打开“热线加热开关”即可。5、此时计算机进入模拟热流模型状态，同时测试软件会自动启动加热电源电压输出，给测试用加热丝通电加热，同时进入测试状态，系统会自动记录样品各时段温度变化及加热功率的变化，约30分钟左右，系统即完成测试，此时测试软件会自动给出提示提示用户测试完成，同时自动停止仪器升温以及加热电压输出。这时用户只需点击“确定”，再点击结果分析，进入结果分析界面，在此界面中用户可点击“平行热线法”按钮计算得出样品所测导热系数。五、实验数据记录该实验采用计算机控制并自动记录数据，实验中需记录加热炉温度，升温参数设定及所测导热系数值。六、实验报告撰写实验报告应包括实验目的，实验原理，实验过程及实验结果。实验二 材料表面的法向辐射率的测定一、实验目的1. 熟知热辐射的基本概念与基本理论。2. 用比较法，定性地测量中温辐射式物体的黑度。二、实验原理图1、辐射换热简图1热源 2传导圆筒（黑体） 3待测物体（受体）如上图所示，一封闭系统中由热源、传导圆筒及待测物体三部分表面组成。假设热源与传导圆筒的表面均为黑体，当这三部分表面上的温度均匀一致时，待测物体3的净辐射换热量为：（1）A3：待测物体3表面的吸收率； Ei0：i物体表面的黑体辐射力；Fi ：i物体表面的辐射面积； ： 角系数 ：i物体的黑度 根据角系数的相对性有 1、3与2的位置等同 当1、2表面温度相同时， 1、2、3表面为一封闭系统 = （2）由于待测物体3与环境主要以自然对流方程换热，其换热量： （3）a：对流换热系数；t3：待测物体3的温度；tf：环境温度当待测物体处于热平衡状态时，有 （4）由（2）、（3）、（4）式得： （5）根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，（5）式可写成： （6）称为斯蒂芬玻尔茨曼常数，其值为5.6710-8w/m2.k4。对不同待测物体a,b，其黑度为：；当外部实验条件相同时，可设a=b，则： 当b为黑体时，b=1，则有： （7）三、实验装置实验装置如图2所示： 图 2、实验装置图热源腔体具有一个测温热电偶，传导腔体有二个热电偶，受体有一个热电偶，它们都可过琴键转换开关来切换。四、实验方法和步骤本实验仪器用比较法测定物体的黑度，具体方法是通过对三组加热器电压的调整（热源一组，传导体二组），使热源和传导体的测量点恒定在同一温度上，然后分别将“待测”（具有原来的表面状态）和“假想黑体”（仍为待测物体，但表面薰黑）在恒温条件下测出受到辐射后的温度，就可按公式计算出待测物体的黑度。具体步骤如下：1、热源腔体和受体腔体（使用具有原来表面状态的物体作为受体）靠紧传导体，测试室温。2、接通电源，调整热源、传导左、传导右的调温旋钮，使其最大化。受热约40分钟左右，通过测温转换开关测试热源、传导左、传导右的温度，并根据测得的温度微调相应的电压旋钮，使三点温度尽量一致。3、系统进入恒温后（各测温点基本接近，且在5分钟内各点温度波动小于5 oC），开始测试受体温度，当受体温度5分钟内的变化小于5 oC时，记下一组数据。“待测”受体实验结束。4、取下受体，将受体冷却后，用蜡烛将受体薰黑，然后对此“假想黑体”重复以上实验，测得第二组数据。5、测试结束后，用酒精将熏黑部位擦拭干净，以供下次实验。将两组数据代入公式即可得出待测物体的黑度。五、注意事项1、热源及传导体的温度不宜超过200。2、每次做原始状态实验时，建议用汽油或酒精将待测物体表面擦净，否则，试验结果将有较大出入。六、试验所用计算公式根据（7）式，本实验所用计算公式为： ：待测物体的黑度；：“待测”受体的绝对温度；：“假想黑体”的绝对温度；：环境的绝对温度，