课件 热物性测量

1、第二章作业,24,已知，一烘箱炉门由两层材料构成,226 比较凸面锥台，圆柱，凹面锥台热量的大小,34，一内部流动的对流换热实验，用电阻加热器产生热量加热管道内的流体，加热功率为常数，管道可当平壁对待，画出在非稳态加热过程中的温度分布随时间的变化（包括电阻加热器，管壁，及被加热的管内流体），划出四个时刻：初始时刻，稳定状态，两个中间状态。,绝热,319汽轮机启动过程气缸壁的升温过程：看作一维平壁，启动前壁温均匀为t0,启动后蒸汽温度tf=tf0+wt,表面传热系数h为定值，气缸壁外绝热良好。请写出数学描述式。,328 已知：板状钢坯（含碳量0.5），初温20，a=5.5510-6m2/s,导热

2、系数按600 。放在1200 炉子里单测加热，h=290W/(m2K) ，另一侧绝热，求加热到钢板表面温度低于炉温15所需的时间，及钢板两表面的温差。,359（综合分析），大型加热炉炉底厚50mm，初温25 ，a=5*10-7m2/s,导热系数4.0W/(mK),点火后tf=1600 ,h=40 W/(m2K),按工艺要求，炉内各表面温度均应加热到1500 方可投入使用。求：开始点火到满足这一条件所需时间。,* 非稳态导热问题求解思路,1） 首先，用 Bi 检验是否满足集总参数法的条件，若性质属于 h 或 未知，可先假设，然后校核； 2）若不能用集总参数法，可采用分析解法 (诺模图法和近似公式

3、法 ) ； 3）若 2 ）， 1 ）方法均不能求解，则采用数值解法。 多维非稳态导热问题的求解方法 1 ）是否满足乘积解法的条件； 2 ）合理将一个多维问题分析成几个一维问题。,温度变化最慢的点位于物体的体心或形心； 温度变化最快的点位于离物体的体心或形心最远处。,* 物体内速度变化的规律,思考题：,1.由导热微分方程可知，非稳态导热只与热扩散率有关，而与导热系数无关。你认为对吗？,答案：由于描述一个导热问题的完整数学描述不仅包括控制方程，还包括定解条件，所以非稳态导热的控制方程只与热扩散率有关，但边界条件中确有可能包括导热系数（如第二类和第三类边界条件），因此上述观点不对。,2. 在某厂生产

4、的测温元件说明书上，标明该元件的时间常数为1s，从传热学的角度，你认为此值可信么？,答案：,在一定条件下，,c,V,A可认为是常数，但表面传热系数却与具体的过程有关的过程量，与测温元件安装的具体环境的换热条件有关，因此，对该说明书上标明的时间常数要进行具体分析，不能盲目相信。,3. 在一无限大平板中心温度(m/0)的莫诺图中（教材图37），当小时，（ /h）越小，此时其它参数不变时， (m/0)越小，平板中心温度越接近于流体的温度，这说明，越小，物体被加热反而温升越快，与事实不符，说出上述分析的错误？,答案：当越小，a=/c也越小，此时Fo也越小，因此无法保证图中的Fo数不发生变化。,4. 一

5、质量m，比热c，比表面积F小型导电体，初始温度t0等于环境温度t，以恒定热流 加热该导电体，温度逐渐升高，最终达到平衡温度tw，求加热过程中导电体温度随时间的变化关系。对流换热系数h恒定。,解法1，通过能量守恒关系,解法2，通过导热微分方程,小型导电体，忽略热阻，温度与坐标无关,5. 两块厚度为30mm的无限大平板，初始温度是20，分别用铜和钢制成。平板两侧表面的温度突然上升到60，试计算使两板中心温度均上升到56时两板所需时间之比。铜和钢的热扩散率分别为103106 m2/s,12.9*10-6m2/s。,答案：一维非稳态无限大平板内的温度分布有：,两种材料达到同样工况时，Bi和x/相同(B

6、i)，要使温度分布相同，则只需Fo相同：,6. 无内热源，常物性二维导热物体在某一瞬间时的温度分布为t=2y2cosx。试说明该导热物体在x=0,y=1处的温度是随时间增加逐渐升高，还是逐渐降低的？,答案：,热物性测量技术,热物性: 导热系数、热扩散率、粘度、比热、热膨胀系数已及热辐射性质（发射率、吸收率、反射率）,热物性学是交叉学科，主要研究范畴: (1)热物性测试方法和测量装置的研究； (2)热物性在不同状态下的变化规律和影响因素的研究； (3)宏观热物性与微观结构、化学组分、工艺因素关系的研究； (4)热物性机理和微观粒子的运动、碰撞规律的研究； (5)热物性数据库的建立和应用研究。,1

7、. 孔隙中气相 导热,2. 固体骨架 导热,占 50% 80%,porosity (孔隙率),pore size (孔隙尺寸),: 小,: 高,绝热性能好,Insulator (绝热材料),?,Nano porous super insulator（纳米孔超级绝热材料）,Key words: porous medium ， insulator ， thermal conductivity ， aerogel （关键词： 多孔介质， 绝热材料， 热导率， 气凝胶 ）,e.g. 气凝胶材料,热物性测量技术,基本原理:,物体无内热源：,稳态导热：,稳态导热、无内热源：,2t = 0，即,Experi

8、mental Setups for Measuring Conductivity,测量方法分类：,测量方法发展：,1.计算机、红外、激光、微电子、光声技术等广泛的应用，提高了测试的准确度和精度； 2.测试功能不断扩大，试样尺寸和体积明显减小，向高速化、自动化、多功能化发展。 3.毫秒、微秒技术使测试周期缩短到毫秒和微秒级以内，同时测试温度范围扩大至3000以上； 4. 非破坏性、小型化，手携式快速检测装置和仪器得到了很大的发展，其中有的还兼有对材料和部件进行探伤的功能； 5.测试内容也不断拓宽和扩展，目前已涉及到人体、生物和食品。,准稳态法测材料的导热性能,一、实验目的 1、测量绝热材料（不良

9、导体）的导热系数和比热、掌握其测试原理和方法。 2、掌握使用热电偶测量温差的方法。,二、实验原理,第二类边界条件下的无限大平板,傅立叶准则； t0初始温度()；,当Fo 0.2时，级数和项变得很小，可以忽略，因此：,平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是常数，并且到处相同。这种状态称为准稳态。,两面的温差为：,根据能量平衡原理，在准态时，有下列关系：,三、实验装置,1)试件 尺寸为100mm100mm，共四块，尺寸完全相同，=1016mm。每块试件上下面要平齐，表面要平整。,2）加热器 高电阻康铜箔平面加热器，康铜箔厚度仅为20m，加上保护箔的绝缘薄膜，总共只有 70m。其电阻值

10、稳定，在0100范围内几乎不变,三、实验注意事项,1.实验步骤 2.热电偶 3.电位差计,热电偶温度计,热电偶是当前热电测温中普遍使用的一种感温元件，它的工作原理是基于热电效应 （一）热电效应及基本定律 两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成如图所示的闭合回路，当两个接触点(称为结点)温度t和t0不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。,称回路电势为热电势。两金属丝称为偶极或热电极。两个结点中与被测介质接触的一个称为测量结成工作端、热端，另一个称为参考端或自由端、冷端。,二、热电偶基本定律,(一)均质导体定律 由均质材料构成的热电偶、热电动势的

11、大小只与材料及结点温度有关与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极温度分布无关。如材料不均匀、由于温度梯度的存在，将会有附加电动势产生。,（二）中间导体定律 如图所示，将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。,（三）中间温度定律,在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为T、Ta和Ta、T0时热电动势的代数和，即,两端点在任意温度时的热电势为：,（四）标准电极定律,如图96所示，两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶如果A、C和B、C热电偶的热电动势已知、那么这两种导体A、B组成的热电偶产生的电动势可由下式