稳态球体法测定粒状材料导热系数(精)

稳态球体法测定粒状材料导热系数
传热学实验一
实验目的
1. 加深对稳定态导热过程基本理论的理解。
2. 掌握用球壁导热仪测定粉状、颗粒状及纤维 状隔热材料导热系数的方法和技能。
3. 确定材料的导热系数和温度的关系。
4. 学会根据材料的导热系数判断其导热能力并 进行导热计算。
实验原理
导热系数是表征物质导热能力的物性参数。 一般地，不同物质的导热系数相差很大。
1 1 Q d d 2 1 2 t1 t 2
实验结果
根据实验结果对导热系数进行分析。
思 考
1、简述金属、非金属（建筑材料）、气体导热性能差异大 的原因。 2、用圆球法测定的材料的导热系数是对什么温度而言的？
3、实验中能用外球的外壁温度代替外球的内壁温度吗？若 已知外球壁材料为铜，壁厚为δ=2mm，导热系数为384 W/m· ℃，试计算由此引起的相对误差。
实验结果
材料名称：
d1=0.091米
d2=0.154米
测量 次数 1
电 压
Hale Waihona Puke Baidu
电 流
内球温度
外球温度
mV
℃
mV
℃
λt
2
3 4
实验数据整理
由式 导热系数，将测量结果绘制在以λ为纵坐标， t 为横坐标的图上。按 t 0 bt 整理，确定 λ0、b，进一步分析试验点与λ-t曲线之间的偏差及实验 中的各项误差。
金属的导热系数在2.3～417.6W/m· ℃范围， 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· ℃， 气体的导热系数为0.0058～0.58 W/m· ℃范围内。 即使是同一种材料，其导热系数亦随温度、压力、湿度、物质结构和密度 等因素而变化。
t=t1 t=t2
球壁导热过程
球体导热系数的推导过程
由于在不太大的温度范围内，大多数工程材料的导热系数 随温度的变化可直接按直线关系处理，对式积分并带入边 界条件得： 2 (t1 t 2 ) Q 1 1 d1 d 2 即：
1 1 Q d d 2 1 2 t1 t 2
球体导热系数的推导过程
如图所示，内外直径分别为d1和d2的两个同心圆 球的圆壳(半径为r1，r2)，内外表面温度分别维 持t1、t2，并稳定不变，将傅里叶导热定律应用 于此球壁的导热过程，得
dt 2 dt Q F 4r dr dr
dt
t t1 t2
1 2
r1 r r2
r dr
边界条件： r = r1 r = r2
实验装置
本实验装置由两个不同直径的同心球组成。小球内 有电热丝以提供加热功率，小球和大球内壁之间填 满被测散状物料，加热温度t1、t2分别由连接于小 球和大球表面的热电偶（铜—康铜）测得，加热功 率 Q 由连接于线路中的电压表、电流表监测，整个 实验装置的连接如附图2所示。
实验装置
热电偶
D1 D2
实验原理
我们研究的隔热材料是指导热系数低于0.22 W/m· ℃的一些固体材料，由于它们具有多孔性 结构，它们的传热过程是固体和孔隙的复杂传 热过程，其传热机理复杂。为了工程计算方便， 常把整个过程当作单纯的导热过程处理。
实验原理
圆球法测定隔热材料的导热系数是以同心球壁稳定导热规律作 为基础的。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充填 被测材料（可为粉状、粒状或纤维状），内球中则装有电加热元 件。从而在稳定导热条件下，只要测定被测试材料两边，即内外 球壁上的温度以及通过的热流，就可计算被测材料的导热系数λ。
球体导热仪 散状物料 电热丝
冰瓶
分压箱
转换开关
电流表
～220V
直流稳压电源
A
电位差计
实验装置图
实验步骤
1、熟悉实验设备，初步了解实验方法和仪器使用方法； 2、将待测物料放入烘干箱内烘干；然后将其均匀地填 充在 同心球的夹层之间。 3、安装测试仪器，注意确保球体严格对中，在检查接 线等无误后接通电源使测试仪温度达到稳定状态。 4、用玻璃温度计测量热电偶的冷段温度。 5、每间隔一定时间测定一组温度数据；读数时应保证各相 应测点的温度都不随时间变化温度达到稳定状态时再记录。 6、调整加热功率，重复实验。 7、关闭电源，结束实验。