热能与动力工程实验---仝编XXXX110

2013-2014学年下学期热能与动力工程专业实验指导------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第1页共43页2.5稳态平板法测定绝热材料导热系数2.5.1实验目的1.巩固和深化稳态导热过程的基本理论，学习用平板法测定绝热材料导热系数。2.测定实验材料的导热系数。3.确定实验材料导热系数与温度的关系。2.5.2实验原理稳态平板法是一种应用一维稳态导热过程的基本原理来测定材料导热系数的方法，可以用来进行导热系数的测定试验，测定材料的导热系数及其和温度的关系。试验设备是根据在一维稳态情况下通过平板的导热量Q和平板两面的温差t成正比，和平板的厚度δ成正比，以及和导热系数λ成正比的关系来设计的。我们知道，通过薄壁平板（壁厚小于十分之一壁长和壁宽）的稳定导热量为λQtFδW（1）测定时，如果将平板两面的温差RLttt、平板厚度、垂直热流方向的导热面积F和通过平板的热流量Q测定以后，就可以根据下式得出导热系数：QtFW/(mC)（2）需要指出，上式所得的导热系数是在当时的平均温度下材料的导热系数值，此平均温度为：RL1()2ttt°C（3）在不同的温度和温差条件下测出相应的值，然后将值标在t坐标图内，就可以得出()ft的关系曲线。2.5.3实验装置稳态平板法测定材料导热系数装置图如图2.5.1所示。被试验材料做成两块方形薄壁平板试件，面积为270×270mm2，实际导热计算面积F为200×200mm2，平板厚度为mm2（实测），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，而上下水套的冷却面是通过循环冷却水（或自来水）来实现的。在中间200×200mm2部位上安设的加热器为主加热器。为了使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200×200mm2之外的四侧)设有四个辅助加热器，测试时控制使主加热器以外的四周保持与中间主加热器的温度相一致，以免热流量向旁侧散失。主加热器的中心温度1t(或2t)和水2013-2014学年下学期热能与动力工程专业实验指导------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第2页共43页套冷面的中心温度3t(或4t)用四个镍铬-康铜热电偶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镍铬-康铜热电偶5t和6t（埋设在铜板的相应位置上）。其中辅助热电偶5t(或6t)接到温度巡检仪上，与主加热器中心的主热电阻1t(或2t)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1t(或2t)和热电3t(或4t)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电巡检仪测量的，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。t1t2t3t432241155t1t2t3t4t6t51t6t512323图2.5.1稳态平板法测定材料导热系数装置图1.水冷箱；2.辅助加热器；3.主加热器；4.铜板；5.试件实验台主要参数：1.主加热器电阻值：100W2.辅加热器（每个）电阻值：4×25W3.热电偶：E型4.试件最高加热温度：≤80°C5.主加热器电压直流：0—50V，电流0—2A（可调）6.辅助加热器电压直流：0—50V，电流0—2A（可调）2013-2014学年下学期热能与动力工程专业实验指导------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第3页共43页2.5.4实验方法与步骤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，加压一定的重物，以使它们都能紧密接触。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，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。将测温热电偶123456tttttt、、、、、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，调节水阀门开度应尽量一致。4.接通主加热器电源，并调节到合适的电压（建议由低至高间隔5V或10V逐渐分段加热），开始加温，然后开启辅助加热电源使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，然后适当调整辅助加热器的电压（高则降低、低则增加）来跟踪调整使主、辅加热温度相一致。在加温过程中，可通过各测温点的测量值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，就可以每隔一段时间进行一次电功率W（或电压V和电流I）读数记录和温度测量，从而得到稳定的测试结果。5.一个工况实验后，可以将设备调到另一工况，既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。调节的电功率不宜过大，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）。2.5.5实验数据及处理试件材料：试件厚度：mm试件外型尺寸：mm2导热计算面积F：mm2表2.5.1稳态平板法测定导热系数实验记录计算表测读时间热面温度Rt冷面温度Lt辅助加热器t/℃t/℃主加热器/W/(mC)1t/℃2t/℃Rt/℃3t/℃4t/℃Lt/℃5t/℃6t/℃U/VI/A注：（1）导热量（即主加热器的电功率）：2013-2014学年下学期热能与动力工程专业实验指导------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第4页共43页Q=U·IW其中，U——主加热器的电压值，V；I——主加热器的电流值，A。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121222QWQQUIW（2）试件两面的温差：RLttt℃其中，Rt——试件的热面温度（即1t或2t），℃Lt——试件的冷面温度（即3t或4t），℃（3）平均温度为：2RLttt℃所以，平均温度为t时的导热系数：2()RLIVttFW/(mC)2.5.6实验分析将不同平均温度下测定的材料导热系数在t—坐标中得出t—的关系曲线，并求出)(tf的关系式。2013-2014学年下学期热能与动力工程专业实验指导------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第5页共43页2.6非稳态（准稳态）法测材料的导热性能2.6.1实验目的1.本实验属于创新型实验，要求学生自己选择不同原料、按照不同配比进行加工出新型实验材料，并对该材料的热物性（密度、导热系数、比热容、热扩散率）进行实验测量。2.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。3.掌握使用热电偶测量温差的方法。2.6.2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2δ，初始温度为t0，平板两面受恒定的热流密度qc均匀加热（见图2.6.1）。根据导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件，对于任一瞬间沿平板厚度方向的温度分布t(x，τ)可由下面方程组解得；方程组的解为：1第二类方程组的解为：22n12c0nno2n1n32(,)[(1)cos()exp()]6qxxtxtF（1）式中，τ——时间，s；λ——平板的导热系数，w/m∙℃；a——平板的热扩散率，m2/s；n——n，n=1，2，3，……；F0——2at，傅立叶准则数；t0——初始温度(℃)；cq——沿x方向从端面向平板加热的恒定热流密度，w/m2。随着时间τ的延长，F0数变大，式（1）中级数和项愈小。当F00.5时，级数项和变得很小，可以忽略，式（1）变成：2221(,)-(-)26coqxtxt（2）由此可见，当F00.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是常数，并且到处相同。这种状态称为准稳态。在准态时，平板中心面x=0处的温度为：220c(,)(,)=0,(,0)(,)(0,)x=00txtxaxtxttxqxtx时处，处，δ0x图1第二类边界条件无限大平板导热的物理模型δqcqc图2.6.1第二类边界条件无限大平板导热的物理模型2013-2014学年下学期热能与动力工程专业实验指导------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第6页共43页co21(0,)()6qatt（2）平板加热面x=δ处为：c021(,)()3qatt（3）此两面的温差为：c1(,)(0,)2qttt（4）如已知qc和δ，再测出Δt，就可以由式（4）求出导热系数：tqc2（5）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：cdtqFcFd（6）式中，F——试件的横截面，m2；c——试件的比热，J/kg∙℃；ρ——试件的密度，kg/m3；ddt——准稳态时的温升速率，℃/s。由上式可得比热：ddtqcc（7）实验时，ddt以试件中心处为准。按定义，材料的导温系数可表示为2()2cctdtacqtdm2/s（8）综上所述，应用恒热流准稳态平板法测试材料热物性时，在一个实验上可同时测出材料的三个重要热物性---导热系数、比热容和导温系数。2.6.3实验装置实验设备包括破碎机、搅拌机、烘干机、电子天平、非稳态导热仪、计算机和实验控制软件。实验装置本体如