华中科技大学工程传热学实验指导书

1、教学实验2006稳态平板法测定材料导热系数(平板导热仪指导书稳态平板法测定材料导热系数实验指导书一. 实验目的1.巩固和深化稳定导热过程的基本理论,学习用平板法测定材料导热系数的实验方法和技能。2.测定试验材料的导热系数。3.确定试验材料导热系数与温度的关系。二.实验原理导热系数是表征材料导热能力的物理量。对于不同的材料,导热系数是不同的;对同一材料,导热系数还会随着温度、压力、湿度、物质的结构和重度等因素而变异。各种材料的导热系数都用试验方法来测定,如果要分别考虑因素的影响,就需要针对各种因素加以试验,往往不能只在一种试验设备上进行。稳态平板法是一种应用一维稳态导热过程的基本原理来测定材料导

2、热系数的方法,可以用来进行导热系数的测定试验,测定材料的导热系数及其和温度的关系。试验设备是根据在一维稳态情况下通过平板的导热量Q 和平板两面的温差t 成正比,和平板的厚度成正比,以及和导热系数成正比的关系来设计的。 我们知道,通过薄壁平板(壁厚小于十分之一壁长和壁宽的稳定导热 量为 F t Q =w测定时,如果将平板两面的温差L R t t t -=、平板厚度、垂直热流方向的导热面积F 和通过平板的热流量Q 测定以后,就可以根据下式得出导热系数:F t Q = /(C m W 需要指出,上式所得的导热系数是在当时的平均温度下材料的导热系数值,此平均温度为:(21L R t t t += C

3、在不同的温度和温差条件下测出相应的值,然后将值标在t - 坐标图内,就可以得出(t f = 的关系曲线。三.实验装置及测量仪表稳态平板法测定材料导热系数的试验装置如图1和图2所示。被试验材料做成二块方形薄壁平板试件,面积为300×300mm,实际导热计2算面积F为200×200mm,平板试件分别被夹紧2mm,板的厚度为 (实测2在加热器的上、下热面和上、下水套的冷面之间。加热器的上下面和水套与试件的接触面都设有铜板,以使温度均匀。利用薄膜式加热片来实现对上、下试件热面的加热,而上下导热面积水套的冷却面是通过循环冷却水(或通过自来水来实现的。在中间200×200mm

4、部位上安设的加热器为主加热器。为了使主加热器的热量能2够全部单向通过上下两个试件,并通过水套的冷水带走,在主加热器四周(即200×200mm之外的四侧设有四个辅助加热器,测试时控制使主加热器以外的四周2保持与中间主加热器的温度相一致,以免热流量向旁侧散失。主加热器的中心温度t1(或t2和水套冷面的中心温度t3(或t4用四个镍铬-康铜热电偶埋设在铜板上来测量:辅助加热器1和辅助加热器2的热面也分别设置两个辅助镍铬-康铜热电偶t5和t6(埋设在铜板的相应位置上。其中辅助热电偶t5(或t6接到温度巡检仪上,与主加热器中心的主热电偶t1(或t2的温度相比较,通过跟踪调节使全部辅助加热器都跟踪

5、与主加热器的温度相一致。而在试验进行时,可以通过热电偶t1(或t2和热电偶t3(或t4测量出一个试件的两个表面的中心温度。也可以再测量一个辅助热电偶的温度,以便与主热电偶的温度相比较,从而了解主、辅加热器的控制和跟踪情况。温度是利用万能信号输入8电巡检仪测量的,主加热器的电功率可以用直流稳压电源的电压表和电流表来测量。Q=IU (W注:本试验台的外围应有保温材料,以免热量向周围散失过多;试件安装到位后关闭左右保温门。电控柜价格很高,应引起注意。配套的平板导热仪软件,该软件界面友好,可以在界面上直接显示各个热电偶的温度,热流功率,还可以直接计算出导热系数加以显示。对于水冷箱,若是用自来水直接冷却

6、,则可以直接接上自来水管,但是经加热后的水若是直接排入下水道,会造成很大的浪费。因此,建议在本平板导热仪的下部加一水箱,用以盛水,再配套加一小水泵。水泵从水箱取水,然后流经水冷箱,经加热后的水再回到水箱,此水箱不用保温,最好用铁制容器,散热性能好。 图1 试验台(平板导热仪结构示意图附试验台主要参数1.试验材料:2.试件外型尺寸:270×270mm23.导热计算面积F:200×200mm(即主加热器的面积24.试件厚度:(实测5.主加热器电阻值:100 6.辅加热器(每个电阻值:4×257.热电偶:E型8.试件最高加热温度:80C9.主加热器电压直流050V,电流

7、02A (可调10.辅助加热器电压直流050V,电流02A (可调四.实验方法和步骤1.将两个平板试件仔细地安装在加热器的上下面,试件表面应与铜板严密接触,不应有空隙存在。在试件、加热器和水套等安装入位后,应在上面加压一定的重物,或用自动控制压紧装置压紧,以使它们都能紧密接触。 图2 试验台(平板导热仪面板电路联结图2.联接和仔细检查各接线电路。将主加热器的两根导线接到仪表箱的主加热器电源接线端子上:而两个辅助加热器是经两两并联后再串联组成的串联电路(实验台上已联接好,同样将辅助加热器的两根导线接到仪表箱的辅助加热器电源接线端子上。电压表和电流表(或电功率表应按要求接入电路。将测温热电偶t1、

8、t2、t3、t4、t5、t6、的导线接到配电箱对应的接线端子上。关闭主、辅加热电源开关及水泵开关;打开总电源开关。并检查各热电阻信号(温度是否正常(基本一致。3. 打开水泵开关,检查冷却水水泵及其通路能否正常工作,调节水阀门开度应尽量一致。4.接通主加热器电源,并调节到合适的电压(建议由低至高间隔5V或10V逐渐分段加热,开始加温,然后开启辅助加热电源使加温电压与主加热器电压接近,一段时间后,观察辅助加热面的温度是否与主加热面的温度一致,然后适当调整辅助加热器的电压(高则降低、低则增加来跟踪调整使主、辅加热温度相一致。在加温过程中,可通过各测温点的测量值来控制和了解加热情况。开始时,可先不启动

9、冷水泵,待试件的热面温度达到一定水平后,再启动水泵(或接通自来水,向上下水套通入冷却水。试验经过一段时间后,试件的热面温度和冷面温度开始趋于稳定。在这个过程中可以适当调节主加热器电源、辅助加热器电源的电压,使其更快或更利于达到稳定状态。待温度基本稳定后,就可以每隔一段时间进行一次电功率W(或电压V和电流I读数记录和温度测量,从而得到稳定的测试结果。5.一个工况试验后,可以将设备调到另一工况,既调节主加热器功率后,再按上述方法进行测试得到另一工况的稳定测试结果。调节的电功率不宜过大,一般在510W为宜。6.根据实验要求,进行多次工况的测试。(工况以从低温到高温为宜。7.测试结束后,先切断加热器电

10、源,经过10分钟左右再关闭水泵(或停放自来水。五.实验结果处理实验数据取实验进入稳定状态后的连续三次稳定结果的平均值。导热量(即主加热器的电功率:Q=W(或I·VWW主加热器的电功率值WI主加热器的电流值AV 主加热器的电压值 V由于设备为双试件型,导热量向上下两个试件(试件1和试件2传导,所以 (或V I W Q Q Q =212221 W 试件两面的温差:L R t t t -= C t R 试件的热面温度(即t 1或t 2 C t L 试件的冷面温度(即t 1或t 2 C 平均温度为 2LR t t t +=C 平均温度为t 时的导热系数: (2(2Ft t V I Ft t

11、W L R L R -=或C m w /将不同平均温度下测定的材料导热系数在t 坐标中得出t 的关系曲线,并求出(f =的关系式。附:巡检仪设置 第1、2、3、4、5、6通道二级参数设置:按SET键,在PV视窗显示CLK,SV视窗显示132的情况下,同时按下SET 键和键30秒,进入二级参数设定: 稳态平板法测定绝热材料导热系数实验实验报告(例题一.试验装置电路联接图二.试验记录试验材料:聚氯乙烯试件外型尺寸:270×270mm2试件导热面积:200×200mm2(即主加热器面积试件厚度:20mm主加热器电阻值:100辅加热器电阻值:4×25测温原件:热电偶实验记录表 三