材料导热系数测定

实验四十四 材料导热系数的测定
在现代建筑物中，为了保护生 态环境，节约能源，需要大量具有 隔热、保温等功能的无机非金属材 料，这些材料具有一系列的热物理 特性。为了合理地使用与选择有关 的功能材料，需要用其热物理特性 进行热工计算。所以，了解和测定 材料的热物理特性是十分重要的。
材料的热物理参数有导热系数、 导温系数、比热等。本实验测定材 料的导热系数。
所测隔热材料的导热系数。
事实上，由于给出的λ是隔热材料在平均温度 tm =（t1+t2）/2 时的导热系数。因此，在实验中只要保持温度场稳定，测出球径d1 和d2 ，热量Q以及内外球面温度即可计算出平均温度tm下隔热材料 的导热系数。改变 t1 和 t2 ，则可得到导热系数与温度关系的曲线。
材料导热系数测定
材料导热系数测定
二．球壁导热法的基本原理
各种材料的导热系数数据均可从有关资料或手册中查到， 但由于具体条件如温度、结构、湿度和压强等条件的不同，这 些数据往往与实际使用情况有出入，需进行修正。
导热系数低于0.22 W/m·℃的一些固体材料称为绝热材料， 由于它们具有多孔性结构，传热过程是固体和孔隙的复杂传热 过程，其机理复杂。
材料导热系数测定
材料导热系数的测定方法
材料导热系数的测定方法有 稳定热流法 和 非稳定热流法 两大类。每大类中又有多种测定方法。本实验用稳定热流法中的 球体法，非稳定热流法中的平板法进行测定。
Ⅰ. 稳态球壁导热测定法 Ⅱ.准稳态平壁导热测定法 Ⅲ. 非稳态平壁导热测定法
材料导热系数测定
Ⅰ. 稳态球壁导热测定法
加热器。当加热时间足够长时，球壁导热仪将达到热稳定状态，内外
壁面温度分别恒为 t1 和 t2 。根据这种状态，可以推导出导热系数λ的
计算公式。
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二．球壁导热法的基本原理
根据傅立叶定理，经过物体的热流量有如下的关系：
QAdt4r2dt
dr
dr
（44-1）
式中：
Q ── 单位时间内通过球面的热流量，W ； λ ── 绝热材料的导热系数，W/m·℃ ； dt/dr — 温度梯度，℃/m ； A ── 球面面积，A = 4πr2，m2 。
对（44 -1）式进行分离变量，并根据上述条件取定
积分得
q r2 dt4 t2 dt
r1 r2 材料导热系数t1测定
（44 - 2）
二．球壁导热法的基本原理
其中：r1、r2分别为内球外半径和外球内半径。积分得：
2Q (t(1d 2 t2)dd11)d2
（44-3）
其中：Q为球形电炉提供的热量。只要测出该热量，即可计算出
4.热电偶热端 8.调压器
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四．测试步骤
1.将被测绝热材料放置在烘箱中干燥，然后均匀地装入球壳的夹层 之中。
2.按图44-1安装仪器仪表并连接导线，注意确保球体严格同心。检 查连线无误后通电，使测试仪温度达到稳定状态（约3～4小时）。
3.用温度计测出热电偶冷端的温度t0。 4.每间隔5～10分钟测定一组温度数据（内上、内下、外上、外下）。 读数应保证各相应点的温度不随时间变化（实验中以电位差计显示变化 小于0.02 mv为准），温度达到稳定状态时再记录。共测试3组，取其平 均值。 5.测定并绘制绝热材料的导热系数和温度之间的关系 6.关闭电源，结束实验。 材料导热系数测定
为了工程计算的方便，常常把整个过程当作单纯的导热过
程处理。
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二．球壁导热法的基本原理
圆球法测定绝热材料的导热系 数是以同心球壁稳定导热规律作为基 础。在球坐标中，考虑到温度仅随半 径 r 而变，故是一维稳定温度场导热。
实验时，在直径为 d1 和 d2 的两个同心圆球的圆壳之间均匀地填 充被测材料（可为粉状、粒状或纤维状），在内球中则装有球形电炉
三．实验器材
1.球壁导热仪
实验装置图如44 –1所示。主要部件是两个铜制同心球壳1、2 ， 球壳之间均匀填充被测隔热材料，内壳中装有电热丝绕成的球形电 炉加热器3 .
2.热电偶测温系统
铜—康铜热电偶二支（测外壳壁温度），镍铬—镍铝热电偶两 支（测内壳壁温度）；均焊接在壳壁上。通过转换开关将热电偶信 号传递到电位差计，由电位差计检测出内外壁温度。
3.电加热系统
外界电源通过稳压器后输出稳压电源，经调压器供给球形电炉 加热器一个恒定的功率。用电流表和电压表分别测量通过加热器的 电流和电压。
材料导热系数测定
图44-1 球壁导热仪实验装置
1.内球壳 5.转换开关 9.电压表
2.外球壳 6.热电偶冷端 10.电流表
3.电加热器 Hale Waihona Puke Baidu.电位差计 11.绝热材料
五．数据处理
1. 测定数据记录 将有关原始数据和测定结果记入表44-1中。
表44-1 测定数据记录
测定项目
1
2
电 流 I（A）
电 压 V（V）
内球表面热电偶 上 的热电势（mv） 下
外球表面热电偶 上 的热电势（mv） 下
材料名称
填充密度
内球壳外径 冷端温度
d1= t0 =
c 外球壳内径 m
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二．球壁导热法的基本原理
不同材料的导热系数相差很大，一般说，金属的导 热系数在2.3～417.6 W/m·℃范围内，建筑材料的导热 系数在0.16～2.2 W/m·℃之间，液体的导热系数波动 于0.093～0.7 W/m·℃，而气体的导热系数则最小，在 0.0058～0.58 W/m·℃范围内。
即使是同一种材料，其导热系数还随温度、压强、 湿度、物质结构和密度等因素而变化。
℃
3
平均值
ρ = kg/m3
d2 =
cm
五．数据处理
2. 绝热材料导热系数计算 (1):平均温度的校正 根据冷端t0及测点平均温度t可查得冷端电势E( t0, 0 )， 结合原始数据中各测点的平均电势E( t, t0 )，即可由下式 求得E ( t, 0 ) ： E( t, 0 ) = E( t , t0 ) + E ( t0, 0 ) （mv） 其中：t — 测点平均温度，℃ ； t0 — 冷端温度，℃ ； E — 热电势，mv ； 再由E( t , 0 )值可查得测点温度t1 、t2 。
一．目的意义 在现代工程中，测定材料导热系数的稳定态热流方法以其原
理简单、计算方便而被广泛应用。球壁导热仪即为其中的方法之 一。主要用于测定粉状、颗粒状、纤维状干燥材料在不同填充密 度下的导热系数。
本实验的目的： 1. 加深对稳定导热过程基本理论的理解，建立维度与坐标选择的 关系。 2. 掌握用球壁导热仪测定绝热材料导热系数的方法 ── 圆球法。 3. 确定材料导热系数与温度的关系。 4. 学会根据材料的导热系材数料导判热断系其数测导定热能力并进行导热计算。