高温导热系数测定基本原理及设备实验报告

高温导热系数测定基本原理及设备

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

导热系数是耐火绝热、绝热、保温材料的重要物理参数之一，是材料绝热与保温性能优劣的重要指标。测定这些材料的导热系数，特别是高温条件下的导热系数，对研究材料性质的现代理论，及深入了解热传导过程的机理，是十分必要的。

导热系数测定装置，是根据付立叶单向度平壁稳定导热过程的基本原理，来测定耐火、绝热和保温材料的高温导热系数。实践证明，当长度与宽度为厚度的8~10倍以上时，平壁边缘的影响可以忽略不计。这样的平壁导热可简化为一维导热，这时的导热可以认为只沿厚度（X 轴）方向进行。见图(1)

图（1）单向平壁的一维导热过程示意图 根据付立叶导热方程式写成： dx

dT

q λ= 【W/m 2】 （1） 将（1）式积分得： )(21T T q -=

δ

λ

【W/m 2】 （2）

通过面积A 的热流量Q 为： )(21T T A Q -∙=δ

λ

【W 】 所以： )

(21T T A Q -⋅=

δ

λ 【W/(m*k)】 (3)

式中：λ——高温导热系数【w/m*k 】 q ——热流密度【w/m 2】 A ——试件测试区面积【m 2】 δ——试件厚度【m 】 T 1——试件高温面温度【K 】 T 2——试件低温面温度【K 】

因此只要在实验过程中测定了T 1，T 2和Q ，并已知试件的厚度δ和测量面积A ，就可以通过式（3）计算出被测材料在平均温度【（T 1+T 2）/2】下的导热系数。

三、试验装置

测定装置主要由单方向加热炉、控温系统和蒸汽量热装置等三部分组成。 1，单方向加热炉加热炉由经过处理的硅碳棒作发热体；炉衬用耐火，耐热的保温材料砌成；在炉腔底部放置碳化硅板作为均热板。均热板的中心处从下面伸出一热电偶，用来测量试件高温面的温度，均热板上面放置被测试件，试件上面中心处放置一个热电偶，用来测量试件低温面的温度。试件四中设有耐火耐热保温材料的衬环。

2，加热炉由数字温度控制器和可控硅等组成的控温系统来进行加热和控温。 3，量热装置主要由量热筒、恒温筒、保温筒、设有隔热环及汽体浮化膜的地盘和汽水分离器等组成（见图2）。量热装置中心的量热筒是整个装置的核心，它吸取来自单方向加热炉通过试件的热量，使其内部的纯蒸馏水变成一个大气压下100o

C 的水蒸气。水蒸气经过多级汽水分离器后，进入冷凝器冷凝成水，根据冷凝水的重量，便可求的通过试件的热流量Q 。汽水分离器的作用是把由于水的激烈沸腾而混入蒸汽的微小水滴与纯蒸汽分离开，使测量数据更加准确。

四，试验步骤

1，将试样制成ø105~200mm ，厚度8~25mm 的园板，上下表面应平行且磨平。测厚度2~4次取其平均值；并称重计算出体积密度。

2，在量热装置的量热筒和恒温筒内注入蒸馏水，水位高度应在水位显示器

的刻线以上。在保温桶内装满蒸馏水。

3，将试件置于加热炉的炉膛中间位置，在式样表面中心处放置低温面的测量热电偶，并用一块玻璃丝布将热电偶盖住（用以与量热装置的底盘绝缘），然后把准备好的量热装置放上。

4，装好冷凝器和冷却水管。 5，接好电源线，打开总电源开关。

6，调节炉温电压，使加热炉工作；待调节仪上显示的高温面温度接近设定温度时，再适当调节炉温电压，使高温面温度稳定在设定温度上。在加热炉加热过程中，可根据情况，打开或关闭辅助加热器开关，使保温筒内的水保持沸腾。

7，待高温面温度（在调节以上显示）和低温面温度（在数字温度仪上显示）稳定15~20分钟后，即可开始测量；

（1）测定高、低面的温差（T 1-T 2）=△T

（2）按开秒表，同事用量杯接取量热筒出口的冷凝水。（事先应称好量杯自重G 0）。

（3）适当时间后按停秒表，同时取下冷凝水量杯。 （4）记下秒表上的接水时间τ。 （5）用精密天平测定冷凝水重量G. 上述数据可多次测量，取其平均值。

8，根据需要，可以在不同高温面温度下进行测量，以测量不同平均温度【（T 1-T 2）/2】下的材料高温导热系数。

测试数据处理 根据付立叶导热方程: )

(21T T A Q -⋅=

δ

λ 【W/(m*k)】

并结合量热装置结构情况： 通过试件计量面积的热流量： τ

Gr

Q =

量热筒底面面积：

4

2d A π=

温差： T 1-T 2=△T 可以导出：

T

d r G ∆⋅⋅⋅⋅⋅-

=τπδ

λ24 【W/(m*k)】 (4)

式中：r ——水的蒸发潜热 2257*103 【J/kg 】 G ——冷凝水重量 【kg 】 δ——试件厚度 【m 】 d ——量热筒底面直径【m 】 τ——测定冷凝水时间【s 】 △T ——高、低温面温差【T 】 附表 实验次数 1 2

3

4

5

试件厚度 量热筒底面直径

水蒸发潜热 冷凝水重量 时间 高温面温度 低温面温度 高、低面温差 导热系数