实验1__用球体法测定材料的导热系数1

1、 天 津 大 学热工基础与应用实验报告学校院系 ：天津大学机械工程学院指导教师 ： 刘 靖学生姓名 ： 准考证号 ：实验 用球体法测定材料的导热系数一、实验目的1、巩固和深化稳态导热的基本理论，学习测定粒状材料的热导率的方法。2、确定热导率和温度之间的函数关系。二、实验任务 1. 了解球体导热仪的实验原理。掌握导热系数的测定方法。 2. 测定几种材料的导热系数。3. 通过实验台操作完成手动测量数据，通过计算机运行监测完成计算机测量系统。3、 实验原理实验原理部分：导热是基本传热方式之一，要先给出导热的定义，导热方程-傅里叶定律，要用图、公式等详细说明导热的机理。导热系数的概念，及其影响因素。平

2、板、圆筒壁的到热量计算公式等知识点。 粒状材料的导热系数可通过球体导热仪测定。如图11所示。由均质粒状材料填充而成的球壁，内外直径分别为d11及d2（半径r1及r2），它的内外表面温度等于t1和t2，并维持不变。由于在不大的温度范围内大多数工程材料的导热系数与温度的关系，均可按直线关系处理，则将付利叶定律用于此球壁导热问题。如图71的边界条件积分可得到热流量计算式： （11） （12）式中：球壁厚度=；m球壁材料在 时的导热系数。 图71 球壳导热过程因此，只要维持内外球壁温度均匀稳定，已知球壁半径d1和d2，测出内外球壁表面温度t1和t2，即可由式（12）算出材料的导热系数m 。热导率是表征

3、材料导热能力的物理量，其单位为W/(mK)，对于不同的材料，热导率是不同的。对于同一种材料，热导率还取决于它的化学纯度，物理状态（温度、压力、成分、容积、重量和吸湿性等）和结构情况。各种材料的热导率都是专门实验测定出来的，然后汇成图表，工程计算时，可以直接从图表中查取。球体法就是应用沿球半径方向一维稳态导热的基本原理测定粒状和纤维状材料导热系数的实验方法。设有一空心球体，若内外表面的温度各为t1和t2并维持不变，根据傅立叶导热定律：图72 球体导热仪实验装置原理结构图这里要有球体导热的原理图！图7-2为球体导热原理图 （1）边界条件 （2）1、若= 常数，则由（1）（2）式求得W W/mK (

4、3)2、若 常数，（1）式变为 （4）由（4）式，得 将上式右侧分子分母同乘以（t2t1），得 (5)式中项显然就是在t1和t2范围内的积分平均值，用表示即，工程计算中，材料的热导率对温度的依变关系一般按线性关系处理，即。因此，。这时，(5)式变为 W/(mK) （6）式中，为实验材料在平均温度下的热导率，为稳态时球体壁面的导热量，分别为内外球壁的温度，分别为球壁的内外直径。实验时，应测出和，并测出，然后由（3）或（6）得出。如果需要求得和t之间的变化关系，则必须测定不同下的值，由 （7）可求的值，得出和t之间的关系式。四、实验设备导热仪本体结构和测量系统如图1-1所示。图1-1 导热仪本体结

5、构和测量系统1内球壳 2外球壳 3电加热器 4热电偶 5转换开关6冰点保温瓶 7电位差计 8调压变压器 9电压表 10电流表本体有两个很薄的铜制同心球壳1和2组成。内球壳外径为d1，外球壳外径为d2，在两球壳之间均匀填满粒状材料（如砂子、珍珠岩、石棉灰等）。内壳中装有电加热器，它产生的热量将通过粒状材料导至外壳，为使内外球壳同心，两球之间有支撑杆。由试料导出的热量从外壳表面以自然对流的方式由空气带走，球外商部和下部的空气流动情况不同，外球表面温度分布不均匀，因此在内外球壳的表面上各埋置36个对热电偶，用来测量内外球壳的温度，并取其平均值作为球壁的表面温度。球内试料应力求松紧均匀，填满空间，室温

6、应尽量保持不变，避免日光直射球壳，应防止人员走动、风等对球壳表面空气自由流动的干扰，以便使外球壳的自然对流放热状态稳定，这样才能在试料内建立一维稳态温度场。五、实验步骤1、将试料烘干，并根据给定的被测材料的容量，算出仪器内所需装填的试料重量，然后均匀的装入球内；2、将所有仪器仪表按图1-1接好，并经指导教师检查；3、接通电源，用调压变压器将电压调到一定的数值并保持不变，观察各项测量数据的变化情况；4、当各项数据基本不随时间变化时，说明系统已达稳定状态，开始测量并记录，每隔5分钟测一次，并测3次；5、整理数据，选取一组数据，代入计算式，计算值；6、改变电加热器的电压，即改变热流，使它维持在另一数

7、值上，当达到新的稳态后，重复步骤4和5，得到新的值。 改变三次改变几次呢？利用两种情况下的值，由（7）式求得值，得出和t之间的关系式。实验数据记录表与实验步骤不一致啊！表7-1 实验测量数据记录 记录人： 同组人： 时间：实验参数实验数据实验台球壳温度内球壳温度外球壳温度试材名称内上t11 内下t12外上t21外下t22 mvmvmvmv容 重内平均温度t1=外平均球温度t2=外球直径tm=( t1+ t2)/2=加热功率电压U (V)电流I(A)功率 (W)内球直径环境温度导热系数tm = (w/m) 1、画出实验装置系统简图；2、实验过程中所测量的原始数据记录3、实验表格和计算结果4、实验结果的误差分析和讨论七、思考题1、试料填充的不均匀所产生的影响是什么