传热学plan初稿

1、固体导热系数和换热系数的测量一、 背景技术固体物质的导热系数是其相当重要的一个物性。关于测定导热系数的方法有很多，参考文献材料导热系数的测定方法，有以下常用的导热系数测定方法：1.稳态导热测定法稳态法原理简单、计算方便，被广泛应用。球壁导热仪即为其中的方法之一，主要用于测定粉状、颗粒状、纤维状干燥材料在不同填充密度下的导热系数。2.准稳态平壁导热测定法是根据第二类边界条件、无限大平壁的导热问题设计的。稳态导热系数的测定方法需要较长的稳定加热时间，所以只能测定干燥材料的导热系数。测定所需时间短（1020分钟），可以弥补上述稳态方法的不足且可同时测出材料的导热系数、导温系数、比热，所以在材料热物性

2、测定中得到广泛的应用。 不稳定导热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等优点。不足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，且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。3.非稳态平壁导热测定法采用热脉冲法。在实验中对试样进行短时间加热，使实验材料的温度发生变化，根据其变化的特点，通过解导热微分方程的，就可求试验材料的导热系数、导温系数和比热。对于固体物质本身，其不同的物性对于导热系数也将有一定的影响

3、。例如对于多孔材料的导热系数，主要影响因素为材料类型，温度，湿度，孔隙率，容重，粒径及粒径分布，热流方向，填充空气，比热容，线膨胀系数。各项因素中，表观密度和湿度的影响最大。对于耐火材料的导热系数，主要因素有化学矿物组成，组织结构，温度等。对于材料的对流换热系数，测定方法为选取一种流体，在风动中放置所测试的试件，建立相应的传热模型，测得相应的参数，即可测定材料与相应流体的对流换热系数。参考文献空气纵掠平板时局部换热系数的测定可知，该实验采用的试件是一平板，纵向插入风道中，平板表面是由一根很薄的不锈钢皮和胶木制成的，不锈钢片包在胶木外面，以获得单面绝热边界条件，利用电流流过金属片对平板加热，认为

4、金属片表面具有恒定的热流密度。只要测定流过金属片的电流、电压降即可准确的确定表面的热流密度。当空气纵向流过平板时，测定离前缘不同位置处的壁温和电加热功率即可确定沿板片长度方向局部换热系数的变化。参考文献平板绕流换热系数测定可知，该实验用一个包覆有薄金属片的平板纵向插入风道中，空气纵向掠过平板时，测定金属片电加热功率，以及离平板前缘不同位置处金属薄片的表面温度，即可确定沿板长方向局部换热系数的变化。二、 实验目的1. 通过测量不同材料(现有两种方案，一是常见的建筑材料，二是常见的机械工业材料)的导热系数，比较不同材料热传导的性能。2. 探究同种材料导热系数的影响因素。3. 测量不同材料的对流换热

5、系数，比较其换热性能。4. 探究影响对流换热系数的外在因素：风速，表面粗糙度，形状，风吹掠方向等。5. 探究平板表面局部换热系数的变化规律。三、实验设计1.导热系数的测量：实验原理：傅里叶在研究了固体的热传定律后，建立了导热定律。他指出，当物体的内部有温度梯度存在时，热量将从高温处传向低温处。如果在物体内部取两个垂直于热传导方向，彼此相距为h的两个平面，其面积元为D，温度分别为，则有=式中为导热速率，为与面积元dS相垂直方向的温度梯度，“-”表示热量由高温区域传向低温区域，即为导热系数，是一种物性参数，表征的是材料导热性能的优劣，其单位为W/(m·K)，对于各项异性材料，各个方向的导

6、热系数是不同的，常要用张量来表示。如图所示，A、C是传热盘和散热盘，B为样品盘，设样品盘的厚度为,上下表面的面积各为=，维持上下表面有稳定的温度，这时通过样品的导热速率为 =在稳定导热条件下（值恒定不变）可以认为：通过待测样品B的导热速率与散热盘的周围环境散热的速率相等，则可以通过铜盘C在稳定温度附近的散热速率，求出样品的导热速率。在稳定传热时，C散热盘的外表面积Rc2 +2Rchc，移去A盘后，C盘的散热外表面积，因为物体的散热速率与散热面积成正比，所以，由比热容定义，所以，所以，实验所用的试样均制成一定直径和厚度的圆盘。实验步骤：（1） 用物理天平称出散热盘（铜盘）C的质量m，单次测量，其

7、比热容：C=3.8×102J/kg·ºC。（2） 用游标卡尺分别测出样品盘B铜盘C的直径和厚度h各测六次，然后取平均值。（3） 搭接。如实验装置图所示，发热盘A和散热盘C之间安放样品盘B，并将这三个盘压紧保证良好的接触并排走盘之间的空气。发热盘A上有热电偶，发热功率可调。 （4） 加热，必须得到稳定的温度分布，需要等待较长的时间。每过一段时间测量盘A，C的温度T1、T2，直到其值都不变，即可认为已达到稳态状态。（5） 计算得到该条件下的样品导热系数（6） 对同一样品，改变条件再次测量，并记录条件的变化。对不同样品用同样的方法再次测量。2.对流换热系数的测量：实验原

8、理：如图所示采用类似的实验装置：此图中C盘为发热盘，与样品盘B紧密接触。样品盘B的上表面暴露在流动的空气中。当达到稳态时，发热盘对B的传热量等于空气和B的换热量。通过相应的实验装置测得C和B的上表面温度T1,T2,以及空气的温度Tf，在上述已知样品导热系数的情况下，可根据傅里叶导热微分方程以及第一类和第三类边界条件来求得相应的换热系数。实验步骤：（1） 用物理天平称出散热盘（铜盘）A的质量m，单次测量，其比热容：C=3.8×102J/kg·ºC。（2） 用游标卡尺分别测出样品盘B铜盘A的直径和厚度h各测六次，然后取平均值。（3） 搭接。如实验装置图所示，发热盘C上

9、安放样品盘B，将B的上表面至于风洞中。发热盘C上有热电偶，且发热功率可调。 （4） 加热，过一段时间后打开风洞，必须得到稳定的温度分布，需要等待较长的时间。每过一段时间测量盘B，C的温度T1、T2，直到其值都不变，即可认为已达到稳态状态。（5） 计算得到该条件下的样品换热系数（6） 对同一样品，改变条件再次测量，并记录条件的变化。对不同样品用同样的方法再次测量。四、 实验器材和设备实验设备：加热片150´150mm，热线风速仪，红外热像仪，点焊机，风洞，偶丝，数据采集仪，计算机，红外测温仪，气体流量计，绝热手套、成套工具、游标卡尺、砂纸，绝热材料，导热胶，支架。实验样品：方案一：瓷砖，混凝土，木头，大理石等建筑材料 直径1