导热系数测定讲稿课件.ppt
,导热系数的测定,Nanjing, China,本科生教学课程,凡是有温差的地方，就有热量自发地从高温物体传到低温物体，或从物体的高温部分传向低温部分。,传热学基本知识回顾,热量传递是由于物体内或系统内的两部分之间的温差而引起的，净的热流方向总是由高温处向低温处流动。根据传热机理不同，热的传递有三种方式：导热、对流和辐射。,热量传递的基本方式,导热 物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。,对流 由于流体的宏观运动，从而流体各部分之间发生相对位移、冷热流体相互掺混所引起的热量传递。,辐射 通过电磁波来实现能量传递。,传热学基本知识回顾,导热的基本定律和稳态导热,温度场：某一时刻物体中各点温度的分布称为温度场,可表示为：,温度场,稳态温度场,非稳态温度场,三维稳态温度场,二维稳态温度场,一维稳态温度场,三维非稳态温度场,二维非稳态温度场,一维非稳态温度场,传热学基本知识回顾,温度场中同一瞬间同温度各点连成的面称为等温面。在任何一个二维的截面上等温面表现为一个等温线。,等温面、等温线,温度梯度,温度在法线方向的变化率称为温度梯度。,是通过该点的等温线上的法向单位矢量，指向温度升高的地方。,热流量,单位时间内经某一给定面积A传递的热量，记作，单位 W。,热流密度,单位面积上的热流量称为热流密度，用q表示，单位 W/cm2。,传热学基本知识回顾,傅里叶定律,单位时间内通过单位截面所传递的热量，正比于当地垂直于截面方向上的温度变化率，方向指向温度降低的方向，即,温度梯度与热流密度矢量,传热学基本知识回顾,J. Fourier, 法国，1768-1830,导热系数 ,一种物性参数，表征材料导热能力的大小；越大，导热性能越好。,导热系数的影响因素,多孔材料的密度,状态、成分、结构,温度,一般来说，表观密度越小，材料所含低热导率的介质越多，材料的热导率就越小；但密度太小，空隙尺寸变大，对流传热和辐射传热的作用增强，材料的热导率反而增加。,传热学基本知识回顾,与t的关系,工程上为方便使用，习惯将一定温度范围内的导热系数与温度的关系近似回归成线性表示，即,则,可以发现：平均热导率等于平均温度下的热导率。,传热学基本知识回顾,微元体热力学能的增量,导热微分方程,微元体内热源的生成热,导入微元的净热量,笛卡尔坐标系,传热学基本知识回顾,通过圆筒壁的导热,单层圆筒壁,端面绝热或,为常数,一维稳态温度场,同多层平壁导热处理方法类似,多层圆筒壁,传热学基本知识回顾,通过球壳的导热,单层球壁,为常数,一维稳态温度场,类似方法可得到多层球壁的热流量,传热学基本知识回顾,通过平壁的导热,单层平壁,平板两表面温度t1，t2，一定平板厚度，无内热源一维稳态导热微分方程,过程的动力,过程的阻力,即,多层平壁,q,传热学基本知识回顾,稳态平板法测定非金属材料的导热系数 特点: 公式简单,实验时间长,测量导热量和温度 恒热流准稳态平板法测定材料的导热系数 特点: 公式复杂,实验时间短,需要测量温度随时间的变化,主要内容,热导率测量方法：稳态法和非稳态法,热导率测量方法也可以根据导热热流在试样上的流向区分：如圆柱试样（轴向法、径向法）、平板法、圆球法 、同心球法等,稳态平板法测定非金属材料的导热系数,1.巩固导热理论知识，了解建立较严格的一维稳态导热 的实际方法。2.用稳态双平板法测定非金属材料的导热系数，确立导 热系数和温度之间的依变关系, 即=0(1 + bt)或= A +Bt。3.学习实际问题的实验研究方法和有关测试技术。,实验目的,稳态平板法测定非金属材料的导热系数,根据傅里叶导热定律，平板温度场的微分方程为：,条件：设有一块厚度为，导热系数为 = A + Bt的无限大平板，一侧以恒定流密度q（W/）加热，平板两表面的温度分别保持恒等于t1和t2 。,边界条件：x=0, t=t1; x= ,t=t2,实验原理,稳态平板法测定非金属材料的导热系数,即在平均温度tm=(t1+t2)/2的条件下，板材的导热系数等于在t1和t2间材料的平均导热系数m。,m,稳态平板法测定非金属材料的导热系数,实验设备,t5 t6，t7 t8; 调节辅助加热功率： t1t2，t3 t4,12 mm 有机玻璃,100 mm,tm=(t5+t6+t7+t8)/4,稳态平板法测定非金属材料的导热系数,一维导热计算面积,k装置功率修正系数（小于1，耗能）,Q装置加热量（U, I）,稳态平板法测定非金属材料的导热系数,实验步骤,1.预习实验报告，弄懂实验原理，了解实验装置的结构和实验方法。2.将两面已磨平的试件按图示装入实验装置，并压紧。3.按图示接好直流稳压电源、电压表、电流表和数字电压表 的连接导线；将超级恒温水浴的出水口用橡皮管并联接至两个冷却器，并将它们的回水用橡皮管引回恒温水浴；热电偶冷端置于冰瓶内，经指导教师检查认可。4.调节恒温水浴上的控制温度计，设定冷却水温度，启动恒温水浴。,5.接通直流稳压器，按预先拟定的方案，调节主、辅加热器的功率，直至达实验要求。6.热稳定后，每隔10分钟采集一次数据，共采集三次。需采集的数据有各对热电偶输出的热电势、主加热器的电流和电压，将数据填入预先画好的记录表中，取三次的平均值作为计算值。7.需做导热方程时，可改变水温或主、辅加热器功率，重复5、6步骤，共做68次实验。将实验数据进行线性回归处理，即可整理出导热方程。,8.测量数据经指导教师审核后，切断电源，结束实验，整理现场。,稳态平板法测定非金属材料的导热系数,稳态平板法测定非金属材料的导热系数,影响导热系数的参数,试样含水量 含水（湿）量大，导热系数大，稳态法测量不准。测试环境温度 环境温度低，热板的热损失大，误差大。试样尺寸 试样面积要大于热板，小于或者接近于热板大小时，边 缘损失大，导热系数偏大。试样厚度 不小于5mm，太薄易造成热通道太厚，导热系数偏大。,注意点：一台超级恒温水浴向两个冷却器并联供给恒温水，以便保持两块试材的冷却面具有相同的温度。 主、辅均热板间的隔缝在径向上无温差，这意味着它们之间无热量传递，主均热板表面是等温面，以便主加热器功率对其试件的中央部分供应一维导热流。,稳态平板法测定非金属材料的导热系数,稳态平板法测定非金属材料的导热系数,注意点试件的厚度不宜过大。由于试件侧向散热及其径向温度梯度引起的径向导热，使得主均热板和冷却器间的试件内各等温面不再是互相平行的平面，不能满足一维导热实验原理的要求,直径和厚度比值要在8倍以上。 在主、辅均热板的表面和冷却器的冷却表面共埋设8对镍铬镍硅热电偶。,稳态平板法测定非金属材料的导热系数,问题: 一维稳态导热是如何实现的？ 如何确定实验已进入稳态导热? 可否用其测量金属材料的热导率? 能否用其测量潮湿的保温材料热导率?,稳态平板法测定非金属材料的导热系数,稳态平板法测定非金属材料的导热系数,准稳态平板法测定非金属材料的导热系数,实验目的,1.通过实验测出温度变化曲线，进一步加深了解不稳定 导热过程的特征。2.对导热系数有比较直观的认识，并掌握快速测试材料 导热系数的实验方法和技术。,实验原理,准稳态平板法测定非金属材料的导热系数,根据导热理论，对厚度为2，初始温度为ti、导热系数为、导温系数为的无限大平板，当其两表面用恒热流密度qw加热时，平板内任意点的温度可表示为,简化,准稳态平板法测定非金属材料的导热系数,当加热经过一段时间后,即Fo0.5时,板内各点温度随时间是线性变化的，而与板面垂直的坐标X是成抛物线关系的。如图1所示。这就是不稳态导热达到准稳态时的温度场特征。,准稳态平板法测定非金属材料的导热系数,对于X=的加热面和X=0的中心面，上式分别写成,其中，t =tw-tc 同一瞬时加热面与中心面间的温差，； qw单位面积平板表面所获得热流量，W/m2； 平板的半宽度，m。,准稳态平板法测定非金属材料的导热系数,试样2,试样3,试样4,试样1,加热器,绝热材料,实验设计:,准稳态平板法测定非金属材料的导热系数,实验设备,图5 实验设备系统图,设备包括SEI-3准稳态法热物性测定仪、计算机和实验控制软件。,SEI-3型准稳态法热物性测定仪内实验本体由四块厚度均为、 面积均为F的被测试材重叠在一起组成。在第一块与第二块试材之间夹着一个薄型的片状电加热器；在第 三块和第四块试材之间也夹着一个相同的电加热器；在第二块与 第三块试材交界面中心和一个电加热器中心各安置一对热电偶； 这四块重叠在一起试材的顶面和底面各加上一块具有良好保温特 性的绝热层。 用机械的方法把它们均匀地压紧。电加热器由直流稳压电源供电 ，加热功率由计算机检测。 两对热电偶所测量到的温度由计算机进行采集处理，并绘出试材 中心面和加热面的温度变化曲线。,准稳态平板法测定非金属材料的导热系数,准稳态平板法测定非金属材料的导热系数,实验步骤,1.用游标卡尺对试材的厚度进行测量,并用天平称其称重。2.将试材按实验要求装入SEI-3型准稳态法热物性测定仪实验本体内。（注：用手拿取试材时一定要拿试材的边缘，不要用手接触试材的 加热面，以免破坏试材的初始温度场。）3.通计算机和SEI-3型准稳态法热物性测定仪电源，仔细阅读教学实 验软件系统上的实验步骤，点击“我认真阅读了实验步骤”按钮. 4.在相应的栏目内按要求输入试材名称、试材厚度、试材重量和预计 试材导热系数（试材厚度和重量为单块试材的平均厚度和重量）,准备工作,5.点击“测量”按钮并同时打开SEI-3测定仪的加热开关。观察加热表面和绝热表面的温度变化过程，当两表面的温差不变时,即温差曲线走平时，表明不稳态导热达到准稳态时的温度场特征，可点击“结束”按钮并关闭SEI-3测定。,6.如果有打印机，可点击“打印”按钮，打印出实验所有数据。没有打印机可点击“保存”按钮，保存所有实验数据。点击“复位” 可重新实验，点击“退出”可结束实验。最后将保存的实验数据读出，记录在实验数据表中。,准稳态平板法测定非金属材料的导热系数,准稳态平板法测定非金属材料的导热系数,稳态导热系数的测定方法需要较长的稳定加热时间，所以只能测定干燥材料的导热系数。对于工程上实际应用的含有一定水分材料的导热系数则无法测定。基于不稳定原理的准稳态导热系数测定方法，由于测定所需时间短（1020分钟），可以弥补上述稳态方法的不足，所以在材料热特性测定中得到广泛应用。,两种测定方法的比较,准稳态平板法测定非金属材料的导热系数,问题: 本实验方法有哪些方面的误差？如何减少？ 试材与试材间和试材与加热器间有缝隙，存在接触热阻，对测量结果有何影响？ 可否用气测量金属等良导体的热物性？可否用于测量湿材料的热物性? 加热器做成超薄型的依据是什么?,准稳态平板法测定非金属材料的导热系数,Thank you！,The end,
