曹臣鹏实验7 用球体法测量导热系数实验

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：曹臣鹏准考证号：020213400346实验7用球体法测量导热系数实验一、实验目的学习用球体法测定粒状材料导热系数的方法。了解温度测量过程及温度传感元件。二、实验原理1.导热的定义：导热是指物体内的不同部位因温差而发生的传热，或不同温度的两物体因直接接触而发生的传热。2.温度场非稳态t=f（x,y,z,）稳态t=f(x,y,z)一维稳态t=f(x)上式中x,y,z为空间坐标，为时间3温度梯度等温面法向温度增量△t与距离n的极限比值的极限。即：4傅里叶定律傅里叶定律的文字表述：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直于该界面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。Q=-=-其中Q为导热量，单位为W；A为传热面积，单位为m2；T为温度，单位为K；x为在导热面上的坐标，单位为m。5．导热系数=-;为导热系数，w/m.k6.影响的因素1）温度、密度、湿度及材料的种类的等因素。对流传热过程是流体与壁面间的传热过程，所以凡是与流体流动及壁面有关的因素，也必然影响对流传热系数的数值，实验表明传热系数值与流体流动产生的原因。流体的流动形态、流体的物性、流体有无相变和加热面的几何形状、尺寸、相对位置等因素有关。一般来说对性质相近的流体，强制对流的传热系数大于自然对流的传热系数。湍流流动的对流传热系数大于层流流动的对流传热系数，对于同一种流动形态，流速越大，对流传热系数越大。流体的物性有流体的粘度、导热系数、密度、比热容、体积膨胀系数等。对于有相变的传热，还有相变热的影响，除粘度外，其余的物性，随着其增加，对流传热系数相应增大。对于同一种流体，有相变的传热系数大于无相变的传热系数。传热的形状、大小、相对位置影响传热，如冬天房间采暖，应将加热壁面放置空间的下部，反之，夏天的冷却装置，应放置空间的上部。2)与温度呈线性关系7.一维稳态圆筒壁导热公式的推导稳态导热柱坐标系：圆筒壁就是圆管的壁面。当管子的壁面相对于管长而言非常小，且管子的内外壁面又保持均匀的温度时，通过管壁的导热就是圆柱坐标系上的一维导热问题。一维、稳态、无内热源、常物性：第一类边界条件：对上述方程(a)积分两次:圆筒壁内部的热流密度和热流分布：求导热流密度：热流量：8.球体法适用于测定颗粒状(或粉末)材料的导热系数。如图2所示。热导率是表征材料导热能力的物理量，其单位为W/(m·K)，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：（1）边界条件（2）1、若λ=常数，则由（1）（2）式求得[W][W/(m·K)](3)2、若λ≠常数，（1）式变为图2球壳导热过程（4）由（4）式，得将上式右侧分子分母同乘以（t2－t1），得(5)式中项显然就是λ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/(m·K)]（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λ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λ和t之间的关系式。实验设备如图3所示，实验设备组成包括：球体导热仪本体、实验台手动测试系统、计算机测量系统、数字仪表测量系统。球体导热仪本体是两个球壳同心套装在一起，内球壳外径为d1，外球壳内径为d2，在两球壳之间填充实验粒状材料，热量由装入内球壳中的球`形电加热器加热得到。热量穿过内球壁和被测材料到外球壳，外球壳通过自然空气对流方式进行冷却。内外球壳分别埋设2对热电偶，由于对流状况不一样，故需测量多次，并取其平均值作为球壳温度。安装实验设备时要注意不能让实验室的日光灯直接照射到在到球体上，实验人员也要禁止走动，以防对测量结构产生影响。球体法便于测定各种散状物料（如沙子、矿渣、石灰等）的导热系数。手动测试系统通过实验台操作完成手动测量数据，其中，功率测量由电压表和电流表检测得到，温度测量由电位差计检测得到。计算机测量系统通过计算机运行监测主画面，实时显示实验测量数据，并计算得到导热系数的测量值等。数字仪表测量系统通过数字仪表机柜，直接测量得到球壁温度值和热流功率值。实验方法及实验数据确认所在实验台上电压表、电流表工作量程及指针读数单位换算。学会用电位差计测量热电偶信号操作要领。对球体进行加热，待加热稳定后，记录4个温度测量点数据，读表得到电压、电流数据，以后每隔5~8分钟测一次，实验中再取2次内外壳的温度，再分别取平均值，将实验数据记录在表7-1中。改变电功率，重复以上步骤，重复1次。测得mv再查铜鏮铜mv-t曲线/表得出to。图3球体导热仪实验装置原理结构图实验数据整理完成表7-1、表7-2的实验数据记录、计算及整理工作。六、实验报告1.结合课堂讲授的理论及实验内容，学生要提供自编的实验报告书。2.学生要根据自己所进行的实验独立认真地撰写实验报告。要求字迹工整、数据准确、观察现象的文字描述层次清晰并应结合理论教学中的知识对实验结果给出分析和评价。七、思考题1．简述用球体法测量材料的导热系数的优缺点？2．如果安装内外球壳时略有偏心，导热系数的测定是否会受到影响？为什么3．试说明悬挂在空中的实验球体，外球壳表面的换热方式？如果球壳表面有空气流动或有阳光照射，对导热系数的测量有没有影响？为什么？表7-1实验测量数据记录表记录人：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℃试材名称测量12341234mv℃mv℃mv℃mv℃mv℃mv℃mv℃mv℃1容重23外球直径内平均温度t1=外平均球温度t2=内球直径加热功率电压U(V)电流I(A)功