非稳态法测材料的导热性能实验报告

.:x 2

x = 处，

q c

.x

方程的解为:

图1第二类边界条件无限大平板

导热的物理模型

t(x, ) -t

査2

c 2

q

c r

a …3x &5 66

od

:.(-护 1

n d 2 x

—^cosC l n-)exp^j 2F 0)]

J n :

(1)

式中：T —时间（S ）；

入一平板的导热系数（w/m ? °C ）； 2

a —平板的导热系数（m /s ）

J n

— n 二 n=1 ，2，3，

F0-

孑傅立叶准则;

。

一初始温度（C ）；

非稳态（准稳态）法测材料的导热性能

、实验目的

测量绝热材料（不良导体）的导热系数和比热、掌握其测试原理和方法。

、实验原理

本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。设平板厚度 为23,初始温度为

t 0，平板两面受恒定的热流密度qc 均匀加热（见图1） o 求任

何瞬间沿平板厚度方向的温度分布t （x ，■）。导热微分方程式、初始条件和第二类 边界条件如下：

A

2

d(x, )

: t(x,) a CT

x=0 处,

q c —沿x 方向从端面向平板加热的恒定热流密度（w/m ）；

随着时间T 的延长，F 0数变大，式（1 ）中级数和项愈小。 当F °>0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式（1）变成:

并且到处相同。这种状态称为准稳态。

=亚（苓1）

(3)

q c F

由上式可得比热:

在准态时，平板中心面x=0处的温度为：

qg az 1 t(0, ) -t o

、 6

平板加热面x= S 处为：

此两面的温差为:

.：t =t (-, J -t (o,)= 1q

“

2 扎

如已知q c 和再测出△ t ,就可以由式（3）求出导热系数: (4)

实际上，无限大平板是无法实现的，实验总是用有限尺寸的试件。一般可认为, 试件的横向尺寸为厚度的6倍以上时，两侧散热试件中心的温度影响可以忽略不 计。试件两端面中心处的温度差就等于无限大平板两端面的温度差。

根据势平衡原理，在准态时，有下列关系：

dt d

式中：F 为试件的横截面（m 2）;

C 为试件的比热（J/kg ? C ）；

P 为试件的密 度（kg/m 3

），1200 kg/m 3

；

鱼为准稳态时的温升速率「C /s ）;

d

q c c =

P6色

d

实验时，

dt

以试件中心处为准。

d

实验装置（图2）

按上述理论及物理模型设计的实验装置如图2所示，说明如下:

2t

测温装置1

测温装置2

加热器2

图2 实验装置图

1｝试件

试件尺寸为200mm X 200mm X§，共四块，尺寸完全相同,8=10mm 每块试件上下面要平齐，表面要平整。

2）加热器

采用高电阻康铜箔平面加热器，康铜箔厚度仅为20卩m加上保护箔的绝缘薄膜，总共只有70卩m=其电阻值稳定，在0-100 C范围内几乎不变。加热器的面积和试件的端面积相同，也是200mmX 200m m的正方形。两个加热器的电阻值应尽量相同，相差应在0.1%以内。

3）绝热层

用导热系数比试件小的材料作绝热层，力求减少热量通过，使试件1、4与绝热层的接触面接近绝热。这样，可假定式（4）中的热量q c等于加热器发出热量的 0.5 倍。

4）热电偶

利用热电偶测量试件2两面的温度及试件2、3接触面中心处的温升速率。

实验时，将四个试件齐迭放在一起，分别在试件1和2及试件3和4之间放入加热器1和2，试件和加热器要对齐，温度传感器的放置如图2。

四、实验步骤（见PC机界面说明）

1、用卡尺测量试件的尺寸：面积F和厚度8。

2、按图2放好试件、加热器和温度传感器，接通电源。

3、接通电源，给加热器通以恒定电流，（实验过程中，电流不允许变化），同时启动秒表，每隔一分钟记录试件2两侧热电势（由热电势查温度值），经一段时间后（随所测材料而不同，一般在10-20分钟）系统进入准稳态

4、第一次实验结束，将加热器开关K切断，取下试件及加热器，用电扇将加热器吹凉，待其和室温平衡后才能继续作下一次实验。但试件不能连续做实验，必须经过四小时以上放置，使其冷却至与室温平衡后，才能再作下一次实验。图15第二类边全条件束限大平板须切断电源，一切恢

复原状。

导热的物理模型

五、实验数据记录和处理

试件截面尺寸F: 0.2 X 0.2 [ m2] 试件厚度0.01 [m]

试件材料密度p =1200 [ kg/m3] 加热功率P: [w]

计算：计算热流密度q c[w/ m]

准稳态时的温差厶t （平均值）「C ]

准稳态时的温升速率世[C /S]

然后，即可计算出试件的导热系数入[w/m ? k ]和比热c[J/ kg ? C ]