非稳态(准稳态)法测材料的导热性能实验

1、非稳态（准稳态）法测材料的导热性能实验一、实验目的1、本实验属于创新型实验，要求学生自己选择不同原料、按照不同配比进行加工出新型实验材料，并对该材料的热物性（密度、导热系数、比热容、导温系数）进行实验测量。2快速测量绝热材料（不良导体）的导热系数和比热，掌握其测试原理和方法。3、掌握使用热电偶测量温差的方法。二、实验测试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 t 0，平板两面受恒定的热流密度qc 均匀加热（如下图所示）。根据导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件，对于任一瞬间沿平板厚度方向的温度分布 t(x ， ) 可由下面方程组解得；t

2、( x,)a2t ( x, )x2t (x,0)t0t ( ,)qc0xt (0,)0x方程组的解为：qc23x2( 1)n 1 2x2Fo )(1)t( x, ) t 02 cos( n) exp(n6n 1n式中：时间；平板的导热系数；平板的导温系数； t 0初始温度；F傅立叶准则；2n n ， n=1， 2，3 ；qc沿 X 方向从端面向平板加热的恒定热流密度。随着时间的延长， F0 数变大，式（ 1）中级数和项愈小。当数和项变得很小，可以忽略，式（ 1）变成t ( x, ) t oqc( 2x221 )26F00.5 时，级（ 2）由此可见，当 F00.5 后，平板各处温度和时间成线性

3、关系，温度随时间变化的速率是常数，并且到处相同。这种状态即为准稳态。在准稳态时，平板中心面X=0处的温度为：t (0, ) toqc ( a21)6平板加热面 X=处为：a1qc(t ( , ) to2)3此两面的温差为：t t ( , )1qc（3）t (0, )2已知 qc 和，再测出 t ，就可以由式（ 3）求出导热系数：qc（4）2 t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，两侧散热对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差就等于无限大平板时两端正的温差。根据热平衡原理，在准稳态时，有：qc F cdtFd

4、dt式中： F试件的横截面积； c试件的比热； 试件密度；d准稳态时温升速率。qc则比热为： cdt / d（5）实验时， dt/d 以试件中心处为准。按定义，材料的导温系数可表示为tm2t2 /sa( ) c2() ccqct综上所述，应用恒热流准稳态平板法测试材料热物性时，在一个实验上可同时测出材料的三个重要热物性 - 导热系数、比热容和导温系数。三、实验装置简介实验设备包括破碎机、搅拌机、烘干机、电子天平、 SEI-3 型准稳态法热物性测定仪、计算机和实验控制软件。 SEI-3 型准稳态法热物性测定仪、计算机和实验控制软件如图 1 所示。图 1实验设备系统图SEI-3 型准稳态法热物性测

5、定仪内实验本体由四块厚度均为、 面积均为 F 的被测试材重叠在一起组成。 在第一块与第二块试材之间夹着一个薄型的片状电加热器；在第三块和第四块试材之间也夹着一个相同的电加热器； 在第二块与第三块试材交界面中心和一个电加热器中心各安置一对热电偶； 这四块重叠在一起试材的顶面和底面各加上一块具有良好保温特性的绝热层。 然后用机械的方法把它们均匀地压紧。 电加热器由直流稳压电源供电， 加热功率由计算机检测。 两对热电偶所测量到的温度由计算机进行采集处理， 并绘出试材中心面和加热面的温度变化曲线。四、实验步骤1 选用不同原料，进行破碎加工，按照不同配比，搅拌混合均匀，加工成 100mm×10

6、0mm，厚 20mm大小的材料，放在烘干机内烘干。2 用游标卡尺对试材的厚度进行测量（单位：mm），并用天平称其称重 （单位： g）。3 将试材按实验要求装入SEI-3 型准稳态法热物性测定仪实验本体内。（注：用手拿取试材时4 一定要拿试材的边缘，不要用手接触试材的加热面，以免破坏试材的初始温度场。）5 接通计算机和SEI-3 型准稳态法热物性测定仪电源。使计算机进入windows 操作系统，在计算机桌面上双击上SEI-3 图标，使计算机进入 SEI-3 型准稳态法热物性测定仪的教学实验软件系统。6仔细阅读教学实验软件系统上的实验步骤。 点击“我认真阅读了实验步骤”按钮7 在相应的栏目内按要求

7、输入试材名称、试材厚度、试材重量和预计试材导热系数（试材厚度和重量为单块试材的平均厚度和重量） ，输入完成后，计算机在相应的栏目内给出试材容重和实验加热电压。加热器预加电压分串、并联两种。对应 SEI-3 型准稳态法热物性测定仪的功率选择为大（并）、小（串）之分。通常 SEI-3 型准稳态法热物性测定仪的功率选择开关选择在小（串）位置，只有当加热器预加电压（串联）大于 20 伏特时，再选择在大（并）的位置。调节 SEI-3 测定仪的电压调节旋钮，使加热电压在加热器预加电压值附近。将实验人员的学号填入“学号”栏目内，点击加入学号”按钮。实验人员学号输入完成后点击“确认小组学号”按钮，即可进行实验

8、。8 点击“测量“按钮并同时打开 SEI-3 测定仪的加热开关，观察加热表面的温度变化过程。当两表面的温差不变时，即温差曲线走平时，表明不稳态导热达到准稳态时的温度场的特征，可点击“结束” 按钮，并关闭 SEI-3 测定仪的加热开关。9 如果有打印机，可点击“打印”按钮，打印出实验所有数据。没有打印机可点击“保存” 按钮，保存所有实验数据。点击“复位”可重新实验，点击“退出”可结束实验。最后将保存的实验数据读出，记录在实验数据表中。五、试材热流密度qc 的计算这里我们虽然用薄片状电加热器加热， 但它毕竟有一定的热容量， 在加热过程中，加热器本身要吸收热量， 且先于试材。 因此试材实际所吸收的热

9、量必需从电功率中扣除电加热器吸收的热量。根据实验原理，我们仅研究电加热器对中间两块试材加热时的温度变化就可以了， 但为了避免因电加热器向外难以估计的散热给 qc 的计算带来困难，所以在两加热器外侧 各补上一块相同厚度的试材并加以保温 ，这样， 电加热器 将同等地加 热其两 侧的每块试 材，每块试材内的温度场对于电加热器是对称的。两个同样的电加热器是并联（或串联）供电的。基于以上分析，试材表面实验所吸收的热量应为：qcU IC h ( t) h24F2 W/m式中 U 一加热器的电压V；I 一加热器的电流A；2F 一加热器（即试材）面积，m；2Ch 0.079 J m一加热器单位面积的比热容；(t ) h ( t ) w ( t ) c 一加热器（也是试材加热面的温度变化率） .六、实验要求1预习实验指导书，弄懂实验原理和实验方法。2细心装配试材，电加热器和热电偶，避免损坏。3根据实验数据，绘出温度变化曲线，计算出试材的导热系数、比热容和导温系数。4 利用最优法原理，找出混合材料的最佳配比方案。七、实验数据记录试材名称；试材厚度mm；试材重量g；加热电流A