非稳态法测材料的导热性能实验.docVIP

非[准]稳态导热仪使用说明书 一、实验目的 1．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。 2、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2δ，初始温度为t0，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，τ)可由下面方程组解得； 方程组的解为： 式中：τ——时间；λ——平板的导热系数； α——平板的导温系数；t0——初始温度； —傅立叶准则； ，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τ的延长，F0数变大，式（1）中级数和项愈小。当F0＞0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式（1）变成 （2） 由此可见，当F0＞0.5后，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。这种状态即为准稳态。 在准稳态时，平板中心面X=0处的温度为： 平板加热面X=δ处为： 此两面的温差为： （3） 已知qc和δ，再测出△t，就可以由式（3）求出导热系数： （4） 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： 式中：F——试件的横截面积；c——试件的比热；ρ——试件密度； ——准稳态时温升速率。 则比热为： （5） 实验时，dt/dτ以试件中心处为准。 按定义，材料的导温系数可表示为 m2/s 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 图1 实验设备系统图 非准稳态法热物性测定仪内实验本体由四块厚度均为δ、 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。两对热电偶所测量到的温度由巡检仪进行采集处理。 1、试件及夹具：试件分为四块，此处采用的是200*200毫米的有机玻璃块，厚度为8毫米。 2、测量系统：此处采用精度较高的测温铂电阻测量仪表和用以显示加热功率的精度较高的直流电压、电流表及宽范围的直流稳压源，热传感器采用镍铬-镍硅热电偶(K型)。 3、加热部分为有机框孔为200*200毫米的金属薄膜加热器，阻值标称为左右，配以0-60伏，2A的直流稳压一台。 四、实验步骤 1﹑按原理图接好线路（加热系统、测温系统）； 2、测试件I上下表面的的初温，即，并记录； 3、开始加热，同时启动两块秒表加热10-30分钟之间，测得n组试件I上下表面的温度即及，测温同时记录相应的时间和； 4、功率测量因是常功率不受时间限制； 5、实验结束，关电源。 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： W/m2 式中 U一加热器的电压V； I一加热器的电流A； F一加热器（即试材）面积，m2； Ch＝0.079 J／m2℃一加热器单位面积的比热容； 一加热器（也是试材加热面的温度变化率