精品稳态平板法绝热材料导热系数的测定.docx
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精品稳态平板法绝热材料导热系数的测定
实验一稳态平板法测定绝热材料导热系数实验
一、实验目的
1．巩固和深化稳定导热过程的基本理论，学习用平板法测定绝热材料导热系数的实验方法和技能。
2.测定试验材料的导热系数。
3．确定试验材料导热系数与温度的关系。
二、实验原理
导热系数是表征材料导热能力的物理量。
对于不同的材料，导热系数是各不相同的，对同一材料，导热系数还会随着温度、压力、湿度、物质的结构和重度等因素而变异。
各种材料的导热系数都用实验方法来测定，如果要分别考虑不同因素的影响，就需要针对各种因素加以试验，往往不能只在一种实验设备上进行。
稳态平板法是一种应用一维稳态导热过程的基本原理来测定材料导热系数的方法，可以用来进行导热系数的测定实验，测定材料的导热系数及其和温度的关系。
实验设备是根据在一维稳态情况下通过平板的导热量Q和平板两面的温差Δt成正比，和平板的厚度δ成反比，以及和导热系数λ成正比的关系来设计的。
我们知道，通过薄壁平板（壁厚小于十分之一的壁长和壁宽）的稳定导热量为
Q=〔w〕（1—1）
测试时，如果将平板两面温差Δt=tR-tL、平板厚度δ、垂直热流力向的导热面积F和通过平板的热流量Q测定以后，就可以根据下式得出导热系数，
〔w/m℃〕（1—2）
需要指出，上式所得的导热系数是在当时的平均温度下材料的导热系数值，此平均温度为：
〔℃〕（1—3）
在不同的温度和温差条件下测出相应的λ值，然后按λ值标在λ一坐标图内，就可以得出的关系曲线。
三、实验装置及测量仪器
稳态平板法测定绝热材料导热系数的电器连接图和实验装置如图1—1和图1—2所示。
被试验材料做成两块方形薄壁平板试件，面积为300×300[mm2]，实际导热计算面积F为200×200[mm2]，平板厚度δ[mm]。
平板试件分别被夹紧在加热器的上下热面和上下水套冷面之间。
加热器的上下面、水套与试件的接触面都设有铜板，以使温度均匀。
利用薄膜式加热片实现对上、下试件热面的加热，而上下导热面积水套的冷却面是通过循环冷却水（或通以自来水）来实现。
在中间200×200[mm2]部位上安设的加热器为主加热器。
为了使主加热器的热量能够全部单向通过上下两个试件，并通过水套的冷水带走，在主加热器四周（即200×200mm2
之外的四侧）设有四个辅助加热器（1—4），利用专用的温度跟踪控制器使主加热器以外的四周保持与中间主加热器的温度相一致，以免热流量向旁侧散失。
主加热器的中心温度h（或t：
）和水套冷面的中心温度I，（或14）用4个热电偶（埋没在铜板上）来测量，辅助加热器1和辅助加热器1的热面也分别设置两个辅热电偶t，和L6（埋没在铜板的相应位置上），其中一个辅热电偶t5（或t6）接到温度跟踪控制器上，与主加热器中心接来的主热电偶t：
（或h）的温度信号相比较，通过跟踪器使全部辅加热器都跟踪到与主加热器的温度相一致。
而在试验进行时，可以通过热电偶t，（或t：
）和热电偶t3（或t4）测量出一个试件的两个表面的中心温度。
也可以再测量一个辅热电偶的温度，以便与主热电偶的温度相比较，从而了解主、辅加热器的控制和跟踪情况，温度是利用电位差计转换开关来测量的。
主加热器的电功率可以用电功率表或电压表和电流表来测量。
[附]实验台主要参数
1．试验材料：
2．试件外型尺寸：
300×300mm2
3．导热计算面积F：
200×200mm2（即主加热器的面积）
4．试件厚度δmm（实测）
5．主加热器电阻值：
Ω
6．辅加热器（每个）电阻值：
Ω
7．热电偶材料:
镍铬一镍硅
8．试件最高加热温度：
≤80℃
图1—1试验台的电器联接图
（用电位差计测温未表示出）
图1—2实验台主体示意
（循环冷却水的水箱和水泵未表示）
四、实验方法和步骤
1．将两个平板试件仔细地安装在主加热器的上下面，试件表面应与铜板严密接触，不应有空隙存在。
在试件、加热器和水套等安装入位后，应在上面加压一定的重物，以使它们都能紧密接触。
2．联接和仔细检查各接线电路。
将主加热器的两个接线端用导线接至主加热器电源；而四个辅助加热器经两两并联后再串联成串联电路（实验台上已联接好），并按图2所示联接到辅助加热器电源上和跟踪控制器上。
电压表和电流表（或电功率表）应按要求接入电路。
将主热电偶之一t2（或t1）接到跟踪控制器面板上左侧的主热电偶接线柱上，而将辅热电偶之一t5（或t6）接到跟踪控制器上的相应接线柱上。
把主热电偶t1（或t2）、水套冷面热电偶t3（或t4）和辅热电偶t6（或t5）都接到热电偶转换开关上，转换开关与电位差计的“未知”相接。
3．检查冷却水水泵及其通路能否正常工作，各热电偶是否正常完好，校正电位差计的零位。
4．接通加热器电源，并调节到合适的电压，开始加温，同时开启温度跟踪控制器。
在加温过程中，可通过各测温点的测量来控制和了解加热情况。
开始时，可先不启动冷水泵，待试件的热面温度达到一定水平后，再启动水泵（或接通自来水），向上下水套通入冷却水。
试验经过一段时间后，试件的热面温度和冷面温度开始趋于稳定。
在这过程中可以适当调节主加热器电源、辅加热器电源的电压，使其更快或更利于达到稳定状态。
待温度基本稳定后，就可以每隔一段时间进行一次电功率W（或电压V和电流I）读数记录和温度测量，从而得到稳定的测试结果。
5．一个工况试验后，可以将设备调到另一工况，即调节主加热器功率后，再按上述方法进行测试，得到另一工况的稳定测试结果。
调节的电功率不宜过大，一般在5～10W为宜。
6．根据实验要求，进行多次工况的测试。
（工况以从低温到高温为宜）。
7.测试结束后，先切断加热器电源，井关闭跟踪器，经过10分钟左右后再关闭水泵（或停放自来水）。
五、实验结果处理
实验数据取实验进入稳定状态后的连续三次稳定结果的平均值。
导热量（即主加热器的电功率）：
Q=W（或I·V）[W]（1—4）
式中W——主加热器的电功率值，w；
I——主加热器的电流值，A；
V——主加热器的电压值，V。
由于设备为双试件型，导热量向上下两个试件（试件1和试件2）传导，所以
（或）[W]
试件两面的温差：
Δt=tR-tL[℃]（1—5）
式中tR——试件的热面温度（即t1或t2），℃；
tL——试件的冷面温度（即t3或t4），℃。
平均温度为
[℃]（1—6）
平均温度为时的导热系数：
（或）[w/m﹒℃]（1—7）
将不同平均温度下测定的材料导热系数绘成λ─关系曲线，并求出的关系式。
导热系数测定记录表
表1—1
序号
主加热器
热面温度
tR
（℃）
冷面温度
tL
（℃）
备注
电流I
（mA）
电压V
（V）
功率N
（W）
1
2
3
4
5
6
7
8
实验二 管外强制对流表面传热系数的测定
一、实验目的
1.了解实验装置，熟悉空气流速及管壁温度的测量方法，掌握测试仪器、仪表的使用方法。
2.测定空气横掠单管时的表面传热系数，掌握将实验数据整理成准则方程式的方法。
3.通过对实验数据的综合整理，掌握强迫对流换热实验数据的处理及误差分析方法。
二、实验原理
根据牛顿冷却公式，壁面平均传热系数为：
式中:
—管壁平均温度，℃
—流体的平均温度，℃
—管壁的换热面积，
—对流换热量，
由相似原理，流体受迫外掠物体时的放热系数与流速物体几何形状及尺寸物性参数间的关系可用准则方程式描述：
研究表明，流体横向冲刷单管表面时，准则关联式可整理成指数形式：
下标m表示用空气膜平均温度作特征温度
又有特征数准则方程：
—努塞尔（Nusself）准则数
—雷诺（Reynolds）准则数
—普朗特（Prandtl）准则数
—表面传热系数 w/（m2·k）
—定性尺寸，取管外径 m
—流体导热系数 w/（m·℃）
—流体导温系数 m2/s
—流体运动粘度 m2/s
—流体运动速度 m/s
实验中流体为空气，因而，＝0.7，准则式可简化成
本实验要测定空气横向掠过单管表面时的表面传热系数，我们通过测定流速，温度及物性参数的值来确定c,n的值，便可求得平均换热系数。
因此，我们首先使流速一定，测定电流、电压、管壁温度、空气来流温度值，查出物性参数、、的值，计算出，的值得到一组数据后，可计算出一组，的值，通过改变流速来改变值，重复测量便可得到一系列数据，在以、为纵、横坐标的双对数坐标系中描点，并用光滑的曲线连接各测点可得到一直线，直线方程如下形式：
为截距，n为斜率，从而可确定c,n的值，知道c,n的值后，由准则式：
可求出表面传热系数h。
三、实验设备
实验本体为一立式鼓风式风洞，仪器有：
离心风机，直流电源，毕托管，微差压变送器，直流电位差计，试件（表面镀铬），水银温度计及热电偶等。
空气经整流后进入风洞,气流稳定,因而用一个毕托管即可测定平均流速。
管壁温度用几对热电偶测量取平均值，空气来流温度用热电偶测量。
实验风洞测试系统如下图示：
图3-1 实验台总体图
图3-2 控制箱操作面板
四、实验步骤
1. 连接毕托管与微压变送器，并校验零点值；
2.
连接热电偶与电位差计，检查冰水混合物温度是否为零，将热电偶零端放入冰水混合物中；
3. 连接试件与直流电源，让指导教师检查线路是否正确，而后进行下一步骤。
4. 检查风机电路连接是否正确，启动风机，然后调节风机变频器到所需流速。
风机变频器频率的范围在30—50Hz之间，在30—50Hz之间取5个频率来调节空气流速。
5.合试件电源开关，加热试件。
加热试件时，先调节电流旋钮到最大，再调节电压旋钮10—25V之间。
做实验时当电压旋钮调节到10V时，风机变频器的频率应调节到30Hz，当电压旋钮调节到25V时，风机变频器的频率应调节到50Hz。
6.改变加热功率，同时相应改变风机风量可测出几组试验数据（加热量可以不变）。
8.实验完毕后，先切断实验管电源，待冷却后，再切断风机电源，停止试验。
9.仪器归零，归位。
五、数据整理与计算
1.计算流速
根据不可压缩流体的伯努利方程，
则
：
流体总压（pa）
：
流体静压（pa）
：
流体密度（kg/m3）
：
流体流速（m/s）
2.确定壁面平均放热系数
电加热所产生的总热量
由牛顿冷却公式有
3.确定出准则方程式并作图
将所测数据代入方程式中，求出准则数。
在以Nu数为纵坐标，Re数为横坐标的双对数坐标系中，描出各试验点，然后用光滑的直线将各点连起来。
因Nu和Re满足下列关系式
为截距，n为斜率。
n及用最小二乘法计算，则
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