稳态平板法测定绝热材料导热系数指导书(2012)

稳态平板法测定绝热材料导热系数

一、实验目的及要求

1．实验目的：

1）学习在稳定热流的情况下，用平板稳定导热法测定材料的导热系数的方法。

2）确定试验材料导热系数与温度的关系。 2．实验要求：

1）测定试验材料的导热系数。 2）作出 λ

-图。

—

3）能说出影响导热系数的几个因素。

二、实验原理

稳态平板导热是没有内热源的一维稳定导热，其导热微分方程具有最简单的形式：

d 2t

dx 2

方程的通解为：

t =c 1x +c 2 （1）

c 1、c 2——积分常数，由边界条件确定。

由平板导热的边界条件为（第一类边界条件）

x =0，t = t 1 （2） x =δ，t = t 2 （3）

t 1，t 2为平壁两界面的温度。

将（2）、（3）代入（1）得：

c 1=

t 2-t 1δ

，c 2 = t 1

故平壁的温度分布为：

t = t 1－

由傅立叶导热定律表达式，有：

t 1-t 2δ

x

dt λ

q =－λ = (t 1－t 2) (W /m 2)

dx δ

在第一类边界条件下，平壁的温度分布与材料的导热系数无关，热流密度关系与x 无关; 各种物质的 λ 值都是温度的函数 .

λ =

Q · δ

W /(m · ℃)

Δt · F

三、实验装置及测量仪表

稳态平板法测定绝热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265×265 [mm 2]），实际导热计算面积F 为200×200 [mm 2]），板的厚度为 = 20 [m m ]，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, 科研使用最好通过自来水或大的自备水箱）来实现的。在中间200×200[mm 2]）部位上安设的加热器为主加热器。为了让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[mm 2]之外

的四侧）设有四个辅助加热器，测试时调节其加热功率使得主加热器四周的温度与主加热器中间的温度保持一致，以免热流量向旁侧散失。主加热器的中心温度t 1(或t 2) 和水套冷面的中心温度t 3(或t 4) 用四个A 级Pt100（0.1）热电阻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A 级Pt100（0.1）热电阻 t5和t 6（埋设在铜板的相应位置上）。其中辅助热电阻t 5(或t 6) 接到温度巡检仪上，与主加热器中心的主热电阻t 2（或t 1）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，可以通过热电阻t 1(或t 2) 和热电阻t 3(或t 4) 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阻的温度，以便与主热电阻的温度相比较，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路巡检仪测量的，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 = I U （W ）

图1 试验台结构示意图

[附]试验台主要参数 1 . 试验材料：

2 . 试件外型尺寸：265×265[mm 2] 旧实验台

200×200[mm 2] 新实验台

3 . 导热计算面积F ：200×200[mm 2]（即主加热器的面积） 旧实验台

100×100[mm 2]（即主加热器的面积） 新实验台

4 . 试件厚度δ：（实测）≈20mm 5 . 主加热器电阻值： Ω（实测）

6 . 辅加热器（每个）电阻值： 4× Ω（实测） 7 . 热电阻：A 级Pt100（分辨率0.1︒C ） 8 . 试件最高加热温度：≤80︒C

9 . 主加热器电源电压直流 0—50V ，电流 0—5A （可调） 10 . 辅助加热器电源电压直流0—50V ，电流 0—5A （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，以使它们都能紧密接触。（注意：请将图2按实际实验台描画在实验报告中）

图2 试验台面板电路联结图

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. 热电阻t 1、t 2、t 3、t 4、t 5、t 6、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，调节阀门的开度要尽量一致。

4 .接通主加热器电源，并调节到合适的电压开始加温（建议由低至高间隔5V 或10V 逐渐分段加热），然后开启辅助加热电源开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，根据两加热面的温度情况适当调整辅助加热器的电压（高降低、低增加）, 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，就可以进行电压U 和电流I 的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，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。每次增加的电功率不宜过大，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 = I U [W]

W — 主加热器的电功率值 [W] I — 主加热器的电流值 [A] U — 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

Q 1=Q 2=

Q W 1

==I ⋅U ） [W] 222

试件两面的温差：

∆t =t R -t L [︒C ] tR —试件的热面温度（即t 1或t 2） [︒C ] tL —试件的冷面温度（即t 3或t 4） [︒C ] 平均温度为 =

t R +t L

[︒C ] 2

平均温度为时的导热系数： λ=

W ⋅δI ⋅U ⋅δ

(或) [w /m ⋅︒C ]

2(t R -t L ) F 2(t R -t L ) F

将不同平均温度下测定的材料导热系数在λ—坐标中得出λ—的关系曲线，并求出λ=f () 的关系式。