恒熱流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)定材料熱物性

1、 熱工實(shí)驗(yàn)二恒熱流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)定材料熱物性 姓名： 學(xué)號(hào)： 時(shí)間： 1、 試驗(yàn)內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)利用恒熱流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板法來測(cè)定材料熱物性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括SEI-3型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測(cè)定儀、計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)控制軟件等儀器組成。將四塊試料重疊在一起并均勻地壓緊。電加熱器由直流穩(wěn)壓電源供電，加熱功率由計(jì)算機(jī)檢測(cè)。兩對(duì)熱電偶所測(cè)量到的溫度由計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集處理，并繪出試材中心面和加熱面的溫度變化曲線，計(jì)算出試材的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和導(dǎo)溫系數(shù)。2、 實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)導(dǎo)熱理論，對(duì)厚度為2，初始溫度為ti、導(dǎo)熱系數(shù)為、導(dǎo)溫系數(shù)為a的無限大平板，當(dāng)其兩表面用恒熱流密度qw加熱時(shí)，平板內(nèi)任意點(diǎn)的溫度可表示為 (10-1)式中Fo=

2、 為傅立葉數(shù)。當(dāng)加熱經(jīng)過一段時(shí)間后,即Fo0.5時(shí),（10-1）式中的級(jí)數(shù)項(xiàng)便可略去不計(jì)了。這時(shí)可得簡(jiǎn)單的關(guān)系式 (10-2)圖1 無限大平板導(dǎo)熱原理圖由（10-2）式可見，板內(nèi)各點(diǎn)溫度隨時(shí)間是線性變化的，而與板面垂直的坐標(biāo)X是成拋物線關(guān)系的。如圖10-1所示。這就是不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度場(chǎng)特征。對(duì)于X=±的加熱面和X=0的中心面，上式分別寫成由上面兩式可得導(dǎo)熱系數(shù)為 w/mK (10-3) 式中，t =tw-tc 同一瞬時(shí)加熱面與中心面間的溫差，；qw單位面積平板表面所獲得熱流量，W/m2；平板的半寬度，m。因?yàn)閺牟环€(wěn)態(tài)導(dǎo)熱達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，板內(nèi)各點(diǎn)的溫度是隨時(shí)間線性變化的。也就

3、是說，此時(shí)板內(nèi)各點(diǎn)溫度對(duì)時(shí)間的變化率是相同的，故只要測(cè)出中心面（或加熱面）的溫度變化率，就可以按定義寫出比熱容的計(jì)算式 J/kgK (10-4)式中：試材的密度，kg/m3；（t/）c中心面的中心溫度變化率，/s。按定義，材料的導(dǎo)溫系數(shù)可表示為 m2/s （10-5）綜上所述,應(yīng)用恒熱流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)試材料熱物性時(shí),在一個(gè)實(shí)驗(yàn)上可同時(shí)測(cè)出材料的三個(gè)重要熱物性導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和導(dǎo)溫系數(shù)。3、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器材 SEI-3型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測(cè)定儀 1架 計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)控制軟件 1套 游標(biāo)卡尺 1把 天平 1套實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括SEI-3型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測(cè)定儀、計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)控制軟件，如圖10-2所示。SEI-3

4、型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測(cè)定儀內(nèi)實(shí)驗(yàn)本體由四塊厚度均為、面積均為F的被測(cè)試材重疊在圖10-2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖一起組成。在第一塊與第二塊試材之間夾著一個(gè)薄型的片狀電加熱器；在第三塊和第四塊試材之間也夾著一個(gè)相同的電加熱器；在第二塊與第三塊試材交界面中心和一個(gè)電加熱器中心各安置一對(duì)熱電偶；這四塊重疊在一起試材的頂面和底面各加上一塊具有良好保溫特性的絕熱層。然后用機(jī)械的方法把它們均勻地壓緊。電加熱器由直流穩(wěn)壓電源供電，加熱功率由計(jì)算機(jī)檢測(cè)。兩對(duì)熱電偶所測(cè)量到的溫度由計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集處理，并繪出試材中心面和加熱面的溫度變化曲圖10-3 SEI-3型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測(cè)定儀線。SEI-3型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測(cè)定儀見圖10-3

5、4、 實(shí)驗(yàn)步驟(1) 用游標(biāo)卡尺對(duì)試材的厚度進(jìn)行測(cè)量（單位：）用天平稱其稱重（單位：g）。(2) 將試材按實(shí)驗(yàn)要求裝入SEI-3型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測(cè)定儀實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)。（注：用手拿取試材時(shí)一定要拿試材的邊緣，不要用手接觸試材的加熱面，以免破壞試材的初始溫度場(chǎng)。）(3).接通計(jì)算機(jī)和SEI-3型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測(cè)定儀電源。使計(jì)算機(jī)進(jìn)入Windows操作系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)桌面上雙擊SEI-3圖標(biāo)，使計(jì)算機(jī)進(jìn)入SEI-3型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測(cè)定儀的教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)（見圖10-4）。圖10-4 教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)界面(4) 仔細(xì)閱讀教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)步驟。點(diǎn)擊“我認(rèn)真閱讀了實(shí)驗(yàn)步驟”按鈕。(5) 在相應(yīng)的欄目?jī)?nèi)按

6、要求輸入試材名稱、試材厚度、試材重量和預(yù)計(jì)試材導(dǎo)熱系數(shù)（試材厚度和重量為單塊試材的平均厚度和重量）。輸入完成后，計(jì)算機(jī)在相應(yīng)的欄目?jī)?nèi)給出試材容重和實(shí)驗(yàn)加熱電壓。加熱器預(yù)加電壓分串、并聯(lián)兩種。對(duì)應(yīng) SEI-3型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測(cè)定儀的功率選擇為大（并）、?。ù┲?。通常SEI-3型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測(cè)定儀的功率選擇開關(guān)選擇在小（串）位置，只有當(dāng)加熱器預(yù)加電壓（串聯(lián)）大于20伏特時(shí)，再選擇在大（并）的位置。調(diào)節(jié)SEI-3測(cè)定儀的電壓調(diào)節(jié)旋鈕，使加熱電壓在加熱器預(yù)加電壓值附近。將實(shí)驗(yàn)人員的學(xué)號(hào)填入“學(xué)號(hào)”欄目?jī)?nèi)，點(diǎn)擊“加入學(xué)號(hào)”按鈕。輸入學(xué)號(hào)完成后點(diǎn)擊“確認(rèn)小組學(xué)號(hào)”按鈕，即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(6) 點(diǎn)擊“測(cè)

7、量”按鈕并同時(shí)打開SEI-3測(cè)定儀的加熱開關(guān)。觀察加熱表面和絕熱表面的溫度變化過程，當(dāng)兩表面的溫差不變時(shí),即溫差曲線走平時(shí)，表明不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度場(chǎng)特征，可點(diǎn)擊“結(jié)束”按鈕并關(guān)閉SEI-3測(cè)定儀的加熱開關(guān)（如圖10-5）。 (7) 點(diǎn)擊“保存”按鈕，保存所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊“退出”結(jié)束實(shí)驗(yàn)。最后將保存的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)讀出，記錄在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表中。 圖10-5 實(shí)驗(yàn)進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)曲線(8) 測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)指導(dǎo)教師審核后，切斷電源，結(jié)束實(shí)驗(yàn)，整理現(xiàn)場(chǎng)。5、 試驗(yàn)的基本參數(shù)及有關(guān)計(jì)算這里我們雖然用薄片狀電加熱器加熱，但它畢竟有一定的熱容量，在加熱過程中，加熱器本身要吸收熱量，且先于試材。因此試材實(shí)際所吸收的熱

8、量必需從電功率中扣除電加熱器所吸收的熱量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，我們僅研究電加熱器對(duì)中間兩塊試材加熱時(shí)的溫度變化就可以了，但為了避免因電加熱器向外難以估計(jì)的散熱給qw的計(jì)算帶來困難，所以在兩加熱器外側(cè)各補(bǔ)上一塊同厚度的試材并加以保溫，這樣，電加熱器將同等地加熱其兩側(cè)的每塊試材，每塊試材內(nèi)的溫度場(chǎng)對(duì)于電加熱器是對(duì)稱的。兩個(gè)同樣的電加熱器是并聯(lián)（或串聯(lián)）供電的?；谝陨戏治?，試材表面實(shí)驗(yàn)所吸收的熱量應(yīng)為： W/m2 (10-6)式中U 加熱器的電壓，V； I 加熱器的電流A； F 加熱器（即試材）面積，； Ch = 0.079 J/加熱器單位面積的比熱容；加熱器（也是試材加熱面的溫度變化率），準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，有

9、 ，/s。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)試材名稱 水泥珍珠巖 ； 試材厚度 12.88 ；試材重量 4.7 g 加熱電流 0.1936 A；加熱電壓 13.4501 V； 試材面積 100×100 2時(shí) 間熱面溫度冷面溫度時(shí) 間熱面溫度冷面溫度時(shí) 間熱面溫度冷面溫度034.124.883064.939.21775.343.73037.126965.939.6173075.743.9139.827.293066.74018764413042.328.41067.640.3183076.344244.729.6103068.440.71976.544.123046.930.71169.1411930

10、76.844.3348.931.7113069.841.22077.144.433050.832.61270.541.6203077.344.5452.733.5123071.141.82177.544.543054.534.41371.742213077.744.6556.135.2133072.342.22277.944.753057.635.91472.842.422307844.865936.6143073.342.72378.344.963060.337.21573.842.9233078.445761.537.7153074.143.12478.645.173062.738.21674.643.4243078.745.1863.838.716307543.52578.945.2七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理由以上數(shù)據(jù)通過origin8.5作圖可得熱面溫度和冷面溫度隨著時(shí)間的變化如下：通過上圖求解的兩條曲線變化趨勢(shì)相同時(shí)：可求得當(dāng)穩(wěn)態(tài)是即斜率為=0.02/s熱流密度將所得到的熱流密度值帶入求導(dǎo)熱系數(shù)的公式中 八、分析結(jié)果通過本次的實(shí)驗(yàn)測(cè)出數(shù)據(jù),得到了溫度變化曲線，根據(jù)溫度變化曲線中熱面及冷面的曲線變化趨勢(shì), 當(dāng)