非(准)稳态采热仪

非稳态 准稳态 法测材料的导热性能实验非稳态 准稳态 法测材料的导热性能实验 一 实验目的一 实验目的 1 测量绝热材料 不良导体 的导热系数和比热 掌握其测试原理和方法 2 掌握使用热电偶测量温差的方法 二 实验原理二 实验原理 本实验是根据第二类边界条件 无限大平板的导热问题来设计的 设平板厚度为 2 初始温度为 t0 平板两面受恒定的热流密度 qc 均匀加热 见图 1 求任何瞬间沿平板厚度 方向的温度分布 t x t 导热微分方程式 初始条件和第二类边界条件如下 2 2 ax Txta at txat 0 tuxt 0 x qc ax tat 0 ax tat 方程的解为 1 exp cos 2 1 6 3 0 2 2 1 1 22 0 F x n xat x q ttxt m n n c 式中 t 时间 平板的导热系数 a 平板的导温系数 n n n 1 2 3 F0 傅立叶准则 t0 初始温度 2 at Qc 沿 x 方向从端面向平板加热的恒定热流密度 随着时间 t 的延长 F0数变大 式 1 中级数和项愈小 当 F0 0 5 时 级数和项变得很小 可以忽略 式 1 变成 图1 第二类边界条件无限大平板 导热的物理模型 1 2 6 1 2 2 2 2 0 xatq ttxt c 由此可见 当 F0 0 5 后 平板各处温度和时间成线性关系 温度随时间变化的速率是 常数 并且到处相同 这种状态称为准状态 在准态时 平板中心面 x 0 处的温度为 6 1 0 2 0 atq ttt c 平板加热面 x 处为 3 3 1 2 0 atq ttt c 此两面的温差为 c q ttttt 2 1 0 如已知 qc和 再测出 t 就可以由式 3 求出导热系数 4 t qc 2 实际上 无限大平板是无法实现的 实验总是用有限尺寸的试件 一般可认为 试件 的横向尺寸为厚度的 6 倍以上时 两侧散热试件中心的温度影响可以忽略不计 试件两端面 中心处的温度差就等于无限大平板两端面的温度差 根据势平衡原理 在准态时 有下列关系 dt dT FCFqc 式中 F 为试件的横截面 C 为试件的比热 为试件的密度 为准稳态时的温升速率 dt dT 2 由上式可得比热 dt dT q c c 实验时 以试件中心处为准 dt dT 三 实验装置 图三 实验装置 图 2 按上述理论及物理模型设计的实验装置如图 2 所示 说明如下 1 试件 试件尺寸为 100mm 100mm 共四块 尺寸完全相同 10 16mm 每块试件上 下面要平齐 表面要平整 2 加热器 采用高电阻康铜箔平面加热器 康铜箔厚度仅为 20 m 加上保护箔的绝缘薄膜 总共 执友 70 m 其电阻值稳定 在 0 100 范围内几乎不变 加热器的面积和试件的端面积 相同 也是 100 100 的正方形 两个加热器的电阻值应尽量相同 相差应在 0 1 以内 3 绝热层 用导热系数比试件小的材料作绝热层 力求减少热量通过 使试件 1 4 与绝热层的接 3 触面接近绝热 这样 可假定式 4 中的热量 qc等于加热器发出热量的 0 5 倍 4 温度传感器 利用温度传感器测量试件 2 两面的温差及试件 2 3 接触面中心处的温生速率 实验时 将四个试件整齐迭放在一起 分别在试件 1 和 2 及试件 3 和 4 之间放入加热器 1 和 2 试件和加热器要对齐 四 实验步骤四 实验步骤 1 用卡尺测量试件的尺寸 面积 F 和厚度 2 放好试件 加热器和温度传感器 接好电源 3 第一次实验结束 断开电源 取下试件 用电扇将加热器吹凉 待其和室温平衡后 才能继续作下一次实验 但试件不能连续做实验 必须使其冷却至与室温平衡后 才能再作 下一次实验 4 实验全部结束后 必须切断电源 一切恢复原状 五 实验数据记录和处理五 实验数据记录和处理 室温 t0 加热器电流 I A 加热器的电阻 两个加热器电阻的平均值 R 试件截面尺寸 F 试件厚度 m 试件材料密度 P m3 热流密度 qc w 时间 分 0123456 1 热点温 度 2 时间 分 78910111213 1 热点温 度 2 求出 热流密度 qc w 准稳态时的温差 t 平均值 4 准稳态时的温升速率 小时 dt dT 然后 即可计算出试件的导热系数 w mk 和比热 c J 六 使用说明六 使用说明 本机采用开关电源低压 DC12V 供电加热 故安全可靠 温度检测采用先进的 DS18B20 数字温度传感器 达到高精度 高可靠性的温度采集 采用点阵液晶显示 能同时显示多点数据 并有巡视功能 巡视时隔任意可调 还可通过 R232 接口与其它设备 如 PC 机 进行数据通信 为了保证设备安全 本机超温 95