导热系数测定讲稿课件.ppt

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1、,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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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+

7、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

8、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

9、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,

10、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

11、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

12、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。

13、 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

14、（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,