華中科技大學(xué)工程傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、教學(xué)實(shí)驗(yàn)2006穩(wěn)態(tài)平板法測定材料導(dǎo)熱系數(shù)(平板導(dǎo)熱儀指導(dǎo)書穩(wěn)態(tài)平板法測定材料導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.鞏固和深化穩(wěn)定導(dǎo)熱過程的基本理論,學(xué)習(xí)用平板法測定材料導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法和技能。2.測定試驗(yàn)材料的導(dǎo)熱系數(shù)。3.確定試驗(yàn)材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系。二.實(shí)驗(yàn)原理導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱能力的物理量。對于不同的材料,導(dǎo)熱系數(shù)是不同的;對同一材料,導(dǎo)熱系數(shù)還會(huì)隨著溫度、壓力、濕度、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和重度等因素而變異。各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)都用試驗(yàn)方法來測定,如果要分別考慮因素的影響,就需要針對各種因素加以試驗(yàn),往往不能只在一種試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行。穩(wěn)態(tài)平板法是一種應(yīng)用一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的基本原理來測定材料導(dǎo)

2、熱系數(shù)的方法,可以用來進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測定試驗(yàn),測定材料的導(dǎo)熱系數(shù)及其和溫度的關(guān)系。試驗(yàn)設(shè)備是根據(jù)在一維穩(wěn)態(tài)情況下通過平板的導(dǎo)熱量Q 和平板兩面的溫差t 成正比,和平板的厚度成正比,以及和導(dǎo)熱系數(shù)成正比的關(guān)系來設(shè)計(jì)的。 我們知道,通過薄壁平板(壁厚小于十分之一壁長和壁寬的穩(wěn)定導(dǎo)熱 量為 F t Q =w測定時(shí),如果將平板兩面的溫差L R t t t -=、平板厚度、垂直熱流方向的導(dǎo)熱面積F 和通過平板的熱流量Q 測定以后,就可以根據(jù)下式得出導(dǎo)熱系數(shù):F t Q = /(C m W 需要指出,上式所得的導(dǎo)熱系數(shù)是在當(dāng)時(shí)的平均溫度下材料的導(dǎo)熱系數(shù)值,此平均溫度為:(21L R t t t += C

3、在不同的溫度和溫差條件下測出相應(yīng)的值,然后將值標(biāo)在t - 坐標(biāo)圖內(nèi),就可以得出(t f = 的關(guān)系曲線。三.實(shí)驗(yàn)裝置及測量儀表穩(wěn)態(tài)平板法測定材料導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)裝置如圖1和圖2所示。被試驗(yàn)材料做成二塊方形薄壁平板試件,面積為300×300mm,實(shí)際導(dǎo)熱計(jì)2算面積F為200×200mm,平板試件分別被夾緊2mm,板的厚度為 (實(shí)測2在加熱器的上、下熱面和上、下水套的冷面之間。加熱器的上下面和水套與試件的接觸面都設(shè)有銅板,以使溫度均勻。利用薄膜式加熱片來實(shí)現(xiàn)對上、下試件熱面的加熱,而上下導(dǎo)熱面積水套的冷卻面是通過循環(huán)冷卻水(或通過自來水來實(shí)現(xiàn)的。在中間200×200mm

4、部位上安設(shè)的加熱器為主加熱器。為了使主加熱器的熱量能2夠全部單向通過上下兩個(gè)試件,并通過水套的冷水帶走,在主加熱器四周(即200×200mm之外的四側(cè)設(shè)有四個(gè)輔助加熱器,測試時(shí)控制使主加熱器以外的四周2保持與中間主加熱器的溫度相一致,以免熱流量向旁側(cè)散失。主加熱器的中心溫度t1(或t2和水套冷面的中心溫度t3(或t4用四個(gè)鎳鉻-康銅熱電偶埋設(shè)在銅板上來測量:輔助加熱器1和輔助加熱器2的熱面也分別設(shè)置兩個(gè)輔助鎳鉻-康銅熱電偶t5和t6(埋設(shè)在銅板的相應(yīng)位置上。其中輔助熱電偶t5(或t6接到溫度巡檢儀上,與主加熱器中心的主熱電偶t1(或t2的溫度相比較,通過跟蹤調(diào)節(jié)使全部輔助加熱器都跟蹤

5、與主加熱器的溫度相一致。而在試驗(yàn)進(jìn)行時(shí),可以通過熱電偶t1(或t2和熱電偶t3(或t4測量出一個(gè)試件的兩個(gè)表面的中心溫度。也可以再測量一個(gè)輔助熱電偶的溫度,以便與主熱電偶的溫度相比較,從而了解主、輔加熱器的控制和跟蹤情況。溫度是利用萬能信號(hào)輸入8電巡檢儀測量的,主加熱器的電功率可以用直流穩(wěn)壓電源的電壓表和電流表來測量。Q=IU (W注:本試驗(yàn)臺(tái)的外圍應(yīng)有保溫材料,以免熱量向周圍散失過多;試件安裝到位后關(guān)閉左右保溫門。電控柜價(jià)格很高,應(yīng)引起注意。配套的平板導(dǎo)熱儀軟件,該軟件界面友好,可以在界面上直接顯示各個(gè)熱電偶的溫度,熱流功率,還可以直接計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)加以顯示。對于水冷箱,若是用自來水直接冷卻

6、,則可以直接接上自來水管,但是經(jīng)加熱后的水若是直接排入下水道,會(huì)造成很大的浪費(fèi)。因此,建議在本平板導(dǎo)熱儀的下部加一水箱,用以盛水,再配套加一小水泵。水泵從水箱取水,然后流經(jīng)水冷箱,經(jīng)加熱后的水再回到水箱,此水箱不用保溫,最好用鐵制容器,散熱性能好。 圖1 試驗(yàn)臺(tái)(平板導(dǎo)熱儀結(jié)構(gòu)示意圖附試驗(yàn)臺(tái)主要參數(shù)1.試驗(yàn)材料:2.試件外型尺寸:270×270mm23.導(dǎo)熱計(jì)算面積F:200×200mm(即主加熱器的面積24.試件厚度:(實(shí)測5.主加熱器電阻值:100 6.輔加熱器(每個(gè)電阻值:4×257.熱電偶:E型8.試件最高加熱溫度:80C9.主加熱器電壓直流050V,電流

7、02A (可調(diào)10.輔助加熱器電壓直流050V,電流02A (可調(diào)四.實(shí)驗(yàn)方法和步驟1.將兩個(gè)平板試件仔細(xì)地安裝在加熱器的上下面,試件表面應(yīng)與銅板嚴(yán)密接觸,不應(yīng)有空隙存在。在試件、加熱器和水套等安裝入位后,應(yīng)在上面加壓一定的重物,或用自動(dòng)控制壓緊裝置壓緊,以使它們都能緊密接觸。 圖2 試驗(yàn)臺(tái)(平板導(dǎo)熱儀面板電路聯(lián)結(jié)圖2.聯(lián)接和仔細(xì)檢查各接線電路。將主加熱器的兩根導(dǎo)線接到儀表箱的主加熱器電源接線端子上:而兩個(gè)輔助加熱器是經(jīng)兩兩并聯(lián)后再串聯(lián)組成的串聯(lián)電路(實(shí)驗(yàn)臺(tái)上已聯(lián)接好,同樣將輔助加熱器的兩根導(dǎo)線接到儀表箱的輔助加熱器電源接線端子上。電壓表和電流表(或電功率表應(yīng)按要求接入電路。將測溫?zé)犭娕紅1、

8、t2、t3、t4、t5、t6、的導(dǎo)線接到配電箱對應(yīng)的接線端子上。關(guān)閉主、輔加熱電源開關(guān)及水泵開關(guān);打開總電源開關(guān)。并檢查各熱電阻信號(hào)(溫度是否正常(基本一致。3. 打開水泵開關(guān),檢查冷卻水水泵及其通路能否正常工作,調(diào)節(jié)水閥門開度應(yīng)盡量一致。4.接通主加熱器電源,并調(diào)節(jié)到合適的電壓(建議由低至高間隔5V或10V逐漸分段加熱,開始加溫,然后開啟輔助加熱電源使加溫電壓與主加熱器電壓接近,一段時(shí)間后,觀察輔助加熱面的溫度是否與主加熱面的溫度一致,然后適當(dāng)調(diào)整輔助加熱器的電壓(高則降低、低則增加來跟蹤調(diào)整使主、輔加熱溫度相一致。在加溫過程中,可通過各測溫點(diǎn)的測量值來控制和了解加熱情況。開始時(shí),可先不啟動(dòng)

9、冷水泵,待試件的熱面溫度達(dá)到一定水平后,再啟動(dòng)水泵(或接通自來水,向上下水套通入冷卻水。試驗(yàn)經(jīng)過一段時(shí)間后,試件的熱面溫度和冷面溫度開始趨于穩(wěn)定。在這個(gè)過程中可以適當(dāng)調(diào)節(jié)主加熱器電源、輔助加熱器電源的電壓,使其更快或更利于達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。待溫度基本穩(wěn)定后,就可以每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次電功率W(或電壓V和電流I讀數(shù)記錄和溫度測量,從而得到穩(wěn)定的測試結(jié)果。5.一個(gè)工況試驗(yàn)后,可以將設(shè)備調(diào)到另一工況,既調(diào)節(jié)主加熱器功率后,再按上述方法進(jìn)行測試得到另一工況的穩(wěn)定測試結(jié)果。調(diào)節(jié)的電功率不宜過大,一般在510W為宜。6.根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,進(jìn)行多次工況的測試。(工況以從低溫到高溫為宜。7.測試結(jié)束后,先切斷加熱器電

10、源,經(jīng)過10分鐘左右再關(guān)閉水泵(或停放自來水。五.實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取實(shí)驗(yàn)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后的連續(xù)三次穩(wěn)定結(jié)果的平均值。導(dǎo)熱量(即主加熱器的電功率:Q=W(或I·VWW主加熱器的電功率值WI主加熱器的電流值A(chǔ)V 主加熱器的電壓值 V由于設(shè)備為雙試件型,導(dǎo)熱量向上下兩個(gè)試件(試件1和試件2傳導(dǎo),所以 (或V I W Q Q Q =212221 W 試件兩面的溫差:L R t t t -= C t R 試件的熱面溫度(即t 1或t 2 C t L 試件的冷面溫度(即t 1或t 2 C 平均溫度為 2LR t t t +=C 平均溫度為t 時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù): (2(2Ft t V I Ft t

11、W L R L R -=或C m w /將不同平均溫度下測定的材料導(dǎo)熱系數(shù)在t 坐標(biāo)中得出t 的關(guān)系曲線,并求出(f =的關(guān)系式。附:巡檢儀設(shè)置 第1、2、3、4、5、6通道二級(jí)參數(shù)設(shè)置:按SET鍵,在PV視窗顯示CLK,SV視窗顯示132的情況下,同時(shí)按下SET 鍵和鍵30秒,進(jìn)入二級(jí)參數(shù)設(shè)定: 穩(wěn)態(tài)平板法測定絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告(例題一.試驗(yàn)裝置電路聯(lián)接圖二.試驗(yàn)記錄試驗(yàn)材料:聚氯乙烯試件外型尺寸:270×270mm2試件導(dǎo)熱面積:200×200mm2(即主加熱器面積試件厚度:20mm主加熱器電阻值:100輔加熱器電阻值:4×25測溫原件:熱電偶實(shí)驗(yàn)記錄表 三