恒熱流準穩(wěn)態(tài)平板法測定非金屬材料熱物性參數(shù)

2《工程傳熱學》試驗指導書傳熱學是一門以試驗為根底、效勞工程實踐的應用科學。試驗爭論是進展傳熱學、解決工程問題的重要手段。傳熱試驗分為實物-物理模型試驗和計算機模擬試驗。前者又可分為驗證性和探究性試驗，探究性試驗〔如傳熱系數(shù)、溫度變化〕的各種因素之間的相互關系，分析、整理試驗記錄數(shù)據(jù)，總結該傳熱物理模型的無量綱準則關聯(lián)式，到達節(jié)約資源、獲得滿足試驗效果、為工程或科研工程效勞的目的。驗證性試驗則是面向傳熱理論教學，學生在設計好的儀器設備上動手操作，借助具有典型工程性的試驗設備，讓學生親身體會在錯綜簡潔的、紛亂的試驗現(xiàn)象中去覺察問題、觀看問題、解決問題，從而幫助學生理解教材表達的理論方法，熬煉根本熱工儀器儀表使用操作的素養(yǎng)、力氣。計算傳熱學〔或傳熱計算機模擬〕已經進展成了傳熱學的一個分支學科，是當前爭論熱點。應用計算機解決工程實際問題，是現(xiàn)代工程技術人員所必備的技能。通過傳熱學計算機實習，學生初步熬煉計算機求解傳熱問題的技能，為后續(xù)課程學習、設計、從事實際的科研設計奠定根底，以適應信息化的大趨勢。傳熱試驗有別于前繼課程中的教學試驗的主要特點是其典型的工程性、簡潔的理論性和直接的現(xiàn)實性。這與前繼課程中的一些教學試驗將錯綜簡潔的工程割裂成單一的過程、突出某一典型現(xiàn)象有著顯著的區(qū)分。教學試驗臺的設計愈來愈趨向模塊化、集成化、小型化、綜合化、信息化、智能化，盡量削減單調機械的重復勞動，加快試驗進度。先進的試驗臺還具有在線會話與指導功能，讓學生在動手操作的同時，充分感受現(xiàn)代科技的魅力，對于提高試驗效果進而激發(fā)學習興趣，開闊思路，具有重要的意義，也是試驗、教學工作者的努力方向。試驗方式及根本要求：學生為主，教師為輔，充分預習，兩、三人合作完成。明確試驗目的——調整儀表、記錄數(shù)據(jù)、答復以下問題、試驗報告。試驗報告要求：試驗報告應簡述試驗及儀器操作的根本原理，同時將完成的試驗數(shù)據(jù)及試驗中覺察的問題、體會記錄在報告中。試驗涉及的比較艱深的理論不作統(tǒng)一要求。試驗一恒熱流準穩(wěn)態(tài)平板法測定非金屬材料熱物性參數(shù)〔導熱系數(shù)、比熱容、導溫系數(shù)〕依據(jù)Fourier定律，導熱系數(shù)的測量可以沿循穩(wěn)態(tài)導熱和非穩(wěn)態(tài)導熱兩種思路。穩(wěn)態(tài)導熱法認為導熱系數(shù)的變化是隨溫度而線性變化的，試驗要求持續(xù)的時間長，需要的設備比較多，如測量熱流密度時需要引入泵、水循環(huán)系統(tǒng)，且必需計及散熱誤差。非穩(wěn)態(tài)法著眼于“瞬態(tài)”特性，持續(xù)時間較短，可以測量不同溫度條件下的導熱系數(shù)，因而愈來愈受到重視。一、試驗目的通過試驗測出溫度變化曲線，進一步加深了解不穩(wěn)定導熱過程的特征。對導熱系數(shù)、導溫系數(shù)及比熱容有比較直觀的生疏，并把握快速測試材料熱物性的試驗方法和技術。二、試驗原理t2δ〔1〕，初始溫度為、導熱系數(shù)為λ、導溫系數(shù)為的無限大平板，ti當其兩外表用恒熱流密度qω加熱時，平板內任意點的溫度可表示為：q 1 x 1 2 x tt

w F

( )2

(n)n1cos(n

)exp(n22F

) 〔1〕i o

2 6 (n)2

n1

o當加熱經過一段時間后，即Fo＞0.5〔教材取為0.2〕時，〔1〕式中的級數(shù)項便可略去不計了。這時可得簡潔關系式tt

qw

1 xF ( )2

1 〔2〕i o

2 6由〔2〕式可見，板內各點溫度隨時間線性變化，而與板面垂直的坐標X呈拋物線關系。如圖1所示。這就是不穩(wěn)態(tài)導熱到達準穩(wěn)態(tài)時的溫度場特征〔“準穩(wěn)態(tài)”〕X=±δX=0的中心面，上式分別寫成：q 1wFt t wFw i

( ) o 3q 1t t w (F )c i o 6由上面兩式可得導熱系數(shù)試驗原理

qw w W/m·K 〔3〕2(tw

t) 2tc式中：Δt=tw-tc——同一瞬時加熱面與中心面間的溫差，℃； 圖1板內各點溫度變化qw—單位面積平板外表所獲得熱流量，W/m2；δ—平板的半寬，m。由于從不穩(wěn)態(tài)導熱到達準穩(wěn)態(tài)時，板內各點的溫度隨時間線性變化。也就是說，此時板內各點溫度對時間的變化率一樣，故只要測出中心面〔或加熱面〕的溫度變化率，就可按定義寫出比熱容計算式：tqc wtq()c

J/kgK 〔4〕式中：ρ—試材的密度，kg/m3；〔δt/Δτ〕—中心面的中心溫度變化率，℃/s。c按定義，材料的導溫系數(shù)可表示為： t 2 ta ( ) (

m2/s 〔5〕c q c 2t cw綜上所述，應用恒熱流準穩(wěn)態(tài)平板法測試材料熱物性時，在一個試驗上可同時測出材料的三個重要熱物性——導熱系數(shù)、比熱容和導溫系數(shù)。關于準穩(wěn)態(tài)導熱方程解析解的推導和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，見試驗附錄。三、試驗設備試驗設備包括SEI-3型準穩(wěn)態(tài)法熱物性測定儀、計算機和試驗把握軟件，如圖2所示。SEI-3型準穩(wěn)態(tài)法熱物性測定儀內試驗本體由四塊厚度均為δ、面積均為F的被測試材重疊在一起組成。在第一塊與其次塊試材之間夾著一個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相同的電加熱器；在其次塊與第三塊試材交界面中心和一個電加熱器中心各安置一對熱電偶；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。然后用機械的方法把它們均勻地壓緊。電加繪出試材中心面和加熱面的溫度變化曲線。試驗使用熱電偶傳感器采集溫度信號。熱電偶一端由兩種不同金屬熔或焊成接點，接觸測溫對象，另一端則置于冷端〔例如環(huán)境氣體或冰水混合物〕，它將感受的溫差信號轉換為微小的電勢差，經過軟件系統(tǒng)處理恢復到溫度信號。四、試驗步驟

2試驗設備系統(tǒng)圖用游標卡尺對試材的厚度進展測量〔單位：㎜〕并用天平稱其稱重〔單位：g〕。將試材按試驗要求裝入SEI-3型準穩(wěn)態(tài)法熱物性測定儀試驗本體內?！沧ⅲ河檬帜萌≡嚥臅r確定要拿試材的邊緣，不要用手接觸試材的加熱面，以免破壞試材的初始溫度場?！辰油⊿EI-3型準穩(wěn)態(tài)法熱物性測定儀電源，雙擊SEI-3圖標，進入教學試驗軟件系統(tǒng)〔3〕。圖3 教學試驗軟件系統(tǒng)界面認真閱讀教學試驗軟件系統(tǒng)上的試驗步驟。點擊“我認真閱讀了試驗步驟”按鈕。在相應的欄目內按要求輸入試材名稱、試材厚度、試材重量和估量試材導熱系數(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，計算機在相應的欄目內給出試材容重和試驗加熱電壓。加熱器預加電壓分串、并聯(lián)兩種。對應SEI-3型準穩(wěn)態(tài)法熱物性測定儀的功率選擇為大〔并〕、小〔串〕之SEI-3〔串〔串聯(lián)〕大于20伏特時，再選擇在大〔并〕的位置。調整SEI-3測定儀的電壓調整旋鈕，使加熱電壓在加熱器預加電壓值四周。將試驗人員的學號填入“學號”欄目內，點擊“參與學號”按鈕。試驗人員學號輸入完成后點擊“確認小組學號”按鈕，即可進展試驗。點擊“測量”按鈕并同時翻開SEI-3測定儀的加熱開關。觀看加熱外表和絕熱外表的溫度變化過程，按鈕并關閉SEI-3測定儀的加熱開關〔4〕。圖4 試驗進入準穩(wěn)態(tài)曲線點擊“保存”按鈕，保存全部試驗數(shù)據(jù)。點擊“復位”可重試驗，點擊“退出”可完畢試驗。最終將保存的試驗數(shù)據(jù)讀出，記錄在試驗數(shù)據(jù)表中。qw的計算雖然用薄片狀電加熱器加熱，但它到底有確定的熱容量，在加熱過程中，加熱器本身要吸取熱量，且先于試材。因此試材實際所吸取的熱量必需從電功率中扣除電加熱器所吸取的熱量。依據(jù)試驗原理，僅爭論電加熱器對中間兩塊試材加熱時的溫度變化就可以了，但為了避開因電加熱器q的計算帶來困難，所以在兩加熱器外側各補上一塊同厚度的試材并加以保溫，w這樣，電加熱器將同等地加熱其兩側的每塊試材，每塊試材內的溫度場對于電加熱器是對稱的。兩個同樣的電加熱器是并聯(lián)〔或串聯(lián)〕供電的?；谝陨戏治觯嚥耐獗碓囼炈〉臒崃繎獮椋簈 UICh

W/m2 〔6〕式中：U——加熱器的電壓，V；I——加熱器的電流A；

w 4F 2 hF——加熱器〔即試材〕面積，㎡；C=0.079J/㎡℃——加熱器單位面積的比熱容；h(t)h

(t

) ——加熱器〔也是試材加熱面的溫度變化率〕，準穩(wěn)態(tài)時，有w六、試驗要求

(t)h

(t)

(t

)，℃/sc預習試驗指導書，理解試驗原理和試驗方法。細心裝配試材，電加熱器和熱電偶，避開損壞。依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪出溫度變化曲線。計算出試材的導熱系數(shù)、比熱容和導溫系數(shù)。七、試驗數(shù)據(jù)記錄試材名稱 ；試材厚度 ㎜；試材重量 g加熱電流 A；加熱電壓 V；試材面積 100×100 mm2時間熱面溫度冷面溫度時間熱面溫度冷面溫度時間 熱面溫度冷面溫度030″5′30″6′11′11′30″1′6′30″12′1′30″7′12′30″2′7′3