整理稳态平板法测定材料导热系数.docx
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整理稳态平板法测定材料导热系数
稳态平板法测定材料导热系数
实验指导书
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，导热系数是不同的；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试验方法来测定，如果要分别考虑因素的影响，就需要针对各种因素加以试验，往往不能只在一种试验设备上进行。
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试验，测定材料的导热系数及其和温度的关系。
试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
成正比，和平板的厚度δ成正比，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（壁厚小于十分之一壁长和壁宽）的稳定导热
量为
[w]
测定时，如果将平板两面的温差
、平板厚度
、垂直热流方向的导热面积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：
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：
在不同的温度和温差条件下测出相应的
值，然后将
值标在
坐标图内，就可以得出
的关系曲线。
三.实验装置及测量仪表
稳态平板法测定材料导热系数的试验装置如图1和图2所示。
被试验材料做成二块方形薄壁平板试件，面积为300×300
，实际导热计算面积F为200×200
，板的厚度为
（实测）
，平板试件分别被夹紧在加热器的上、下热面和上、下水套的冷面之间。
加热器的上下面和水套与试件的接触面都设有铜板，以使温度均匀。
利用薄膜式加热片来实现对上、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（或通过自来水）来实现的。
在中间200×200
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200×200
之外的四侧）设有四个辅助加热器，测试时控制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t1（或t2）和水套冷面的中心温度t3（或t4）用四个镍铬-康铜热电偶埋设在铜板上来测量：
辅助加热器1和辅助加热器2的热面也分别设置两个辅助镍铬-康铜热电偶t5和t6（埋设在铜板的相应位置上）。
其中辅助热电偶t5（或t6）接到温度巡检仪上，与主加热器中心的主热电偶t1（或t2）的温度相比较，通过跟踪调节使全部辅助加热器都跟踪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t1（或t2）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助热电偶的温度，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。
温度是利用万能信号输入8电巡检仪测量的，主加热器的电功率可以用直流稳压电源的电压表和电流表来测量。
Q=IU（W）
注：
本试验台的外围应有保温材料，以免热量向周围散失过多；试件安装到位后关闭左右保温门。
电控柜价格很高，应引起注意。
配套的平板导热仪软件，该软件界面友好，可以在界面上直接显示各个热电偶的温度，热流功率，还可以直接计算出导热系数加以显示。
对于水冷箱，若是用自来水直接冷却，则可以直接接上自来水管，但是经加热后的水若是直接排入下水道，会造成很大的浪费。
因此，建议在本平板导热仪的下部加一水箱，用以盛水，再配套加一小水泵。
水泵从水箱取水，然后流经水冷箱，经加热后的水再回到水箱，此水箱不用保温，最好用铁制容器，散热性能好。
图1试验台（平板导热仪）结构示意图
[附]试验台主要参数
1.试验材料：
2.试件外型尺寸：
270×270
3.导热计算面积F：
200×200
（即主加热器的面积）
4.试件厚度δ：
（实测）
5.主加热器电阻值：
100Ω
6.辅加热器（每个）电阻值：
4×25Ω
7.热电偶：
E型
8.试件最高加热温度：
≤80
9．.主加热器电压直流0—50V，电流0—2A（可调）
10．辅助加热器电压直流0—50V，电流0—2A（可调）
四.实验方法和步骤
1.将两个平板试件仔细地安装在加热器的上下面，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，或用自动控制压紧装置压紧，以使它们都能紧密接触。
图2试验台（平板导热仪）面板电路联结图
2.联接和仔细检查各接线电路。
将主加热器的两根导线接到仪表箱的主加热器电源接线端子上：
而两个辅助加热器是经两两并联后再串联组成的串联电路（实验台上已联接好），同样将辅助加热器的两根导线接到仪表箱的辅助加热器电源接线端子上。
电压表和电流表（或电功率表）应按要求接入电路。
将测温热电偶t1、t2、t3、t4、t5、t6、的导线接到配电箱对应的接线端子上。
关闭主、辅加热电源开关及水泵开关；打开总电源开关。
并检查各热电阻信号（温度）是否正常（基本一致）。
3.打开水泵开关，检查冷却水水泵及其通路能否正常工作，调节水阀门开度应尽量一致。
4.接通主加热器电源，并调节到合适的电压（建议由低至高间隔5V或10V逐渐分段加热），开始加温，然后开启辅助加热电源使加温电压与主加热器电压接近，一段时间后，观察辅助加热面的温度是否与主加热面的温度一致，然后适当调整辅助加热器的电压（高则降低、低则增加）来跟踪调整使主、辅加热温度相一致。
在加温过程中，可通过各测温点的测量值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。
在这个过程中可以适当调节主加热器电源、辅助加热器电源的电压，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，既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，经过10分钟左右再关闭水泵（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]
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
[W]
试件两面的温差：
tR—试件的热面温度（即t1或t2）
tL—试件的冷面温度（即t1或t2）
平均温度为
平均温度为
时的导热系数：
[
]
将不同平均温度下测定的材料导热系数在
坐标中得出
的关系曲线，并求出
的关系式。
附：
巡检仪设置
控制参数（一级参数）设定按Set键大于5秒
符号
名称
设定数值
AT1
通道显示时间
AT1=3
AA
断线报警
AA=0
四、环境影响的经济损益分析CLK
2）按发布权限分。
环境标准按发布权限可分为国家环境标准、地方环境标准和行业环境标准。
设定参数禁锁
CLK=132
发现规划环境影响报告书质量存在重大问题的，审查时应当提出对环境影响报告书进行修改并重新审查的意见。
2）规划实施可能对环境和人群健康产生的长远影响。
其它不设
（四）规划环境影响评价的审查二级参数设定CLK=132后同时按Set键和▲键30秒进入，按Set键依次设置
符号
1.环境影响评价依据的环境标准体系名称
设定数值
测试范围
传感器类型
传感器用途
DE
（1）结合评价对象的特点，阐述编制安全预评价报告的目的。
仪表设备号
4或不设
3）规划实施的经济效益、社会效益与环境效益之间以及当前利益与长远利益之间的关系。
BT
通讯波特率
不设
3.意愿调查评估法
在可行性研究时应进行安全预评价的建设项目有：
-n1
第1通道开
0
E型热电偶
T1温度
-n2
第2通道开
0
E型热电偶
T2温度
-n3
第3通道开
0
E型热电偶
T3温度
-n4
第4通道开
0
E型热电偶
T4温度
-n5
第5通道开
0
E型热电偶
T5温度
-n6
第6通道开
0
E型热电偶
T6温度
-n7—n16
第7-16通道关闭
-1
第1、2、3、4、5、6通道二级参数设置：
按SET键，在PV视窗显示CLK，SV视窗显示132的情况下，同时按下SET键和▲键30秒，进入二级参数设定：
DE
仪表设备编号
4
也可不设
1SL0
输入分度号
03
E型热电偶
1SL1
小数点
0
1SL2
无
0
1SL3
无
0
1SL4
无
0
1-Pb
零点迁移
根据情况
1KKK
量程放大倍数
根据情况
其它不设
稳态平板法测定绝热材料导热系数实验
实验报告（例题）
一.试验装置电路联接图
二.试验记录
试验材料：
聚氯乙烯
试件外型尺寸：
270×270mm
试件导热面积：
200×200mm
（即主加热器面积）
试件厚度δ：
20mm
主加热器电阻值：
100Ω
辅加热器电阻值：
4×25Ω
测温原件：
热电偶
实验记录表
测读时间
时分
试件中心位置热面温度
tR（
）
试件中心位置冷面温度
tl（
）
Δt
（tR-tl）
（
）
Q
（W）
备注
9:
60
26.2
17.4
试验最后的室温:
22
冷却水温:
17
10:
30
31.5
18.5
10:
60
37.6
19.3
11:
30
39.9
20.2
11:
60
43.1
21.2
12:
30
46.7
22.3
12:
60
47.3
22.9
13:
30
48.8
23.0
13:
60
49.5
23.3
14:
30
51.7
23.9
14:
60
51.9
24.4
15:
30
52.2
24.6
15:
60
52.5
24.8
16
16:
60
53.1
25.0
16
三.实验结果处理
取实验记录中最后四点稳定的和值，计算出它们的平均值：
冷，热面的温差
镍铬-铜镍（鏮铜）热电偶（E型）温度-微伏对照表
μV
μV
μV
μV
μV
μV
μV
μV
μV
μV
温度
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
0
59
118
176
235
194
354
413
472
532
10
591
651
711
770
830
890
950
1010
1071
1131
20
1192
1252
1313
1373
1434
1495
1556
1617
1678
1740
30
1801
1862
1924
1986
2047
2109
2171
2233
2295
2357
40
2420
2482
2545
2607
2670
2733
2795
2858
2921
2984
50
3048
3111
3174
3238
3301
3365
3429
3492
3556
3620
60
3658
3749
3813
3877
3942
4006
4071
4136
4200
4265
70
4330
4395
4460
4526
4591
4656
4722
4788
4853
4919
80
4985
5051
5117
5183
5249
5315
5382
5448
5514
5581
90
5648
5714
5781
5848
5915
5982
6049
6117
6184
6251
100
6319
6386
6454
6522
6590
6658
6725
6794
6862
6930
第二节球体法测定保温材料的导热系数
一、实验目的测定颗粒材料的导热系数。
二、实验原理
图3-2-1球壁导热装置
1—内球；2—外球；3—实验材料；4—直流稳压电源；5—测温热电偶
由同心等温热球面（直径，温度）和冷球面（直径，温度）围成的空间装满“均匀”试材，球的中心部位装有电热器，全中热量均通过两球中间颗粒材料夹层而传至外界，利用球壁稳态导热公式可得颗粒材料的导热系数λ为：
（3-2-1）
式中，Q——热流量，W；
λ——试材的导热系数，W/（m℃）d1——内球的外径（热球面），mm；d1——外球壳的内径（冷球面），mm；t1——热球面温度，℃；
t2——冷球面温度，℃。
测得通过试材的热流量Q、内外球壁温度t1与t2，把以上数据代入导热系数计算式（3-2-2）中即可求出λ的数值。
如果试材是颗粒状的，或纤维状的，则所得到的是整体导热系数或当量导热系数。
三、实验装置图
球壁导数装置如图3-2-1所示。
四、实验步骤
1.将实验材料烘干，在称其重量后将试材安装入实验装置内。
2.按图接线，经检查无误后，接通电源加热，加热一段时间后测量t1，t2，直至全系统达到热稳定状态为止。
3.记录实验数据。
五、实验结果整理
将所测数据代入式（3-2-1），算出实验材料的导热系数λ。
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