1、稳态平板法测定材料导热系数实验指导书一. 实验目的1.巩固和深化稳定导热过程的基本理论，学习用平板法测定材料导热系数的实验方法和技能。2.测定试验材料的导热系数。3.确定试验材料导热系数与温度的关系。二.实验原理导热系数是表征材料导热能力的物理量。对于不同的材料，导热系数是不同的；对同一材料，导热系数还会随着温度、压力、湿度、物质的结构和重度等因素而变异。各种材料的导热系数都用试验方法来测定，如果要分别考虑因素的影响，就需要针对各种因素加以试验，往往不能只在一种试验设备上进行。稳态平板法是一种应用一维稳态导热过程的基本原理来测定材料导热系数的方法，可以用来进行导热系数的测定试验，测定材料的导热
2、系数及其和温度的关系。试验设备是根据在一维稳态情况下通过平板的导热量 Q 和平板两面的温差 成正比，t和平板的厚度 成正比，以及和导热系数 成正比的关系来设计的。我们知道，通过薄壁平板（壁厚小于十分之一壁长和壁宽）的稳定导热量为 w FtQ测定时，如果将平板两面的温差 、平板厚度 、垂直热流方向的导热面LRt积 F 和通过平板的热流量 Q 测定以后，就可以根据下式得出导热系数：Ft)/(CmW需要指出，上式所得的导热系数是在当时的平均温度下材料的导热系数值，此平均温度为：)(21LRtt在不同的温度和温差条件下测出相应的 值，然后将 值标在 坐标图内，就可以得出t的关系曲线。)(tf1三.实验
3、装置及测量仪表稳态平板法测定材料导热系数的试验装置如图 1 和图 2 所示。被试验材料做成二块方形薄壁平板试件，面积为 300300 ，实际导热计算面积 F2m为 200200 ，板的厚度为 （实测） ，平板试件分别被夹紧在加热器的上、2m2下热面和上、下水套的冷面之间。加热器的上下面和水套与试件的接触面都设有铜板，以使温度均匀。利用薄膜式加热片来实现对上、下试件热面的加热，而上下导热面积水套的冷却面是通过循环冷却水（或通过自来水）来实现的。在中间 200200 部位上安设的加2m热器为主加热器。为了使主加热器的热量能够全部单向通过上下两个试件，并通过水套的冷水带走，在主加热器四周（即 200
4、200 之外的四侧）设有四个辅助加热器，测试时2m控制使主加热器以外的四周保持与中间主加热器的温度相一致，以免热流量向旁侧散失。主加热器的中心温度 t1(或 t2)和水套冷面的中心温度 t3(或 t4)用四个镍铬-康铜热电偶埋设在铜板上来测量：辅助加热器 1 和辅助加热器 2 的热面也分别设置两个辅助镍铬-康铜热电偶 t5 和t6（埋设在铜板的相应位置上） 。其中辅助热电偶 t5(或 t6)接到温度巡检仪上，与主加热器中心的主热电偶 t1（或 t2）的温度相比较，通过跟踪调节使全部辅助加热器都跟踪与主加热器的温度相一致。而在试验进行时，可以通过热电偶 t1(或 t2)和热电偶 t3(或 t4)
5、测量出一个试件的两个表面的中心温度。也可以再测量一个辅助热电偶的温度，以便与主热电偶的温度相比较，从而了解主、辅加热器的控制和跟踪情况。温度是利用万能信号输入 8 电巡检仪测量的，主加热器的电功率可以用直流稳压电源的电压表和电流表来测量。Q=IU （W）注：本试验台的外围应有保温材料，以免热量向周围散失过多；试件安装到位后关闭左右保温门。电控柜价格很高，应引起注意。配套的平板导热仪软件，该软件界面友好，可以在界面上直接显示各个热电偶的温度，热流功率，还可以直接计算出导热系数加以显示。对于水冷箱，若是用自来水直接冷却，则可以直接接上自来水管，但是经加热后的水若是直接排入下水道，会造成很大的浪费。
6、因此，建议在本平板导热仪的下部加一水箱，用以盛水，再配套加一小水泵。水泵从水箱取水，然后流经水冷箱，经加热后的水再回到水箱，此水箱不用保温，最好用铁制容器，散热性能好。2图 1 试验台（平板导热仪）结构示意图3附试验台主要参数1.试验材料：2.试件外型尺寸：270270 2m3.导热计算面积 F：200 200 （即主加热器的面积）4.试件厚度 ：（实测） 5.主加热器电阻值：100 6.辅加热器（每个）电阻值： 4257.热电偶：E 型 8.试件最高加热温度：80 C9.主加热器电压直流 050V，电流 02A （可调）10辅助加热器电压直流 050V，电流 02A （可调）四.实验方法和步
7、骤1. 将两个平板试件仔细地安装在加热器的上下面，试件表面应与铜板严密接触，不应有空隙存在。在试件、加热器和水套等安装入位后，应在上面加压一定的重物，或用自动控制压紧装置压紧，以使它们都能紧密接触。VA图 2 试验台（平板导热仪）面板电路联结图2.联接和仔细检查各接线电路。将主加热器的两根导线接到仪表箱的主加热器电源接线端子上：而两个辅助加热器是经两两并联后再串联组成的串联电路（实验台上已联接好） ，4同样将辅助加热器的两根导线接到仪表箱的辅助加热器电源接线端子上。电压表和电流表（或电功率表）应按要求接入电路。将测温热电偶 t1、t 2、t 3、t 4、t 5、t 6、的导线接到配电箱对应的接
8、线端子上。关闭主、辅加热电源开关及水泵开关；打开总电源开关。并检查各热电阻信号（温度）是否正常（基本一致） 。3. 打开水泵开关，检查冷却水水泵及其通路能否正常工作，调节水阀门开度应尽量一致。4.接通主加热器电源，并调节到合适的电压（建议由低至高间隔 5V 或 10V 逐渐分段加热） ，开始加温，然后开启辅助加热电源使加温电压与主加热器电压接近，一段时间后，观察辅助加热面的温度是否与主加热面的温度一致，然后适当调整辅助加热器的电压（高则降低、低则增加）来跟踪调整使主、辅加热温度相一致。在加温过程中，可通过各测温点的测量值来控制和了解加热情况。开始时，可先不启动冷水泵，待试件的热面温度达到一定水
9、平后，再启动水泵（或接通自来水） ，向上下水套通入冷却水。试验经过一段时间后，试件的热面温度和冷面温度开始趋于稳定。在这个过程中可以适当调节主加热器电源、辅助加热器电源的电压，使其更快或更利于达到稳定状态。待温度基本稳定后，就可以每隔一段时间进行一次电功率 W（或电压 V 和电流 I）读数记录和温度测量，从而得到稳定的测试结果。5.一个工况试验后，可以将设备调到另一工况，既调节主加热器功率后，再按上述方法进行测试得到另一工况的稳定测试结果。调节的电功率不宜过大，一般在 510W 为宜。6.根据实验要求，进行多次工况的测试。 （工况以从低温到高温为宜） 。7.测试结束后，先切断加热器电源，经过
10、10 分钟左右再关闭水泵（或停放自来水） 。五.实验结果处理实验数据取实验进入稳定状态后的连续三次稳定结果的平均值。导热量（即主加热器的电功率）：Q=W（或 IV） WW主加热器的电功率值 WI主加热器的电流值 AV主加热器的电压值 V由于设备为双试件型，导热量向上下两个试件（试件 1 和试件 2）传导，所以5W）（ 或 VIWQ2121试件两面的温差：LRttCtR试件的热面温度（即 t1 或 t2） tL试件的冷面温度（即 t1 或 t2） 平均温度为2LRttC平均温度为 时的导热系数： )(2)(2FtVItWLRLR或 Cmw/将不同平均温度下测定的材料导热系数在 坐标中得出 的关系
11、曲线，并求出tt的关系式。)(tf附： 巡检仪设置控制参数（一级参数）设定 按 Set 键大于 5 秒符号 名称 设定数值AT1 通道显示时间 AT1=3AA 断线报警 AA=0CLK 设定参数禁锁 CLK=132其它不设二级参数设定 CLK=132 后同时按 Set 键和键 30 秒进入，按 Set 键依次设置符号 名称 设定数值 测试范围 传感器类型 传感器用途DE 仪表设备号 4 或不设BT 通讯波特率 不设-n1 第 1 通道开 0 E 型热电偶 T1 温度-n2 第 2 通道开 0 E 型热电偶 T2 温度-n3 第 3 通道开 0 E 型热电偶 T3 温度-n4 第 4 通道开 0
12、 E 型热电偶 T4 温度6-n5 第 5 通道开 0 E 型热电偶 T5 温度-n6 第 6 通道开 0 E 型热电偶 T6 温度-n7n16 第 7-16 通道关闭-1第 1、2、3、4、5、6 通道二级参数设置：按 SET 键，在 PV 视窗显示 CLK，SV 视窗显示 132 的情况下，同时按下 SET 键和键 30 秒，进入二级参数设定：DE 仪表设备编号 4 也可不设1SL0 输入分度号 03 E 型热电偶1SL1 小数点 01SL2 无 01SL3 无 01SL4 无 01-Pb 零点迁移 根据情况1KKK 量程放大倍数 根据情况其它不设稳态平板法测定绝热材料导热系数实验实验报告
13、（例题）一.试验装置电路联接图二.试验记录试验材料：聚氯乙烯试件外型尺寸：270270mm 2试件导热面积：200200mm (即主加热器面积)试件厚度 ：20mm主加热器电阻值：100辅加热器电阻值：425测温原件：热电偶实验记录表 7测读时间时分试件中心位置热面温度tR( ) C试件中心位置冷面温度tl( )t(tR-tl)( ) CQ(W)备注9:60 26.2 17.4 10:30 31.5 18.5 10:60 37.6 19.3 11:30 39.9 20.2 11:60 43.1 21.2 12:30 46.7 22.3 12:60 47.3 22.9 13:30 48.8 23
14、.0 13:60 49.5 23.3 14:30 51.7 23.9 14:60 51.9 24.4 15:30 52.2 24.6 15:60 52.5 24.8 16 16:60 53.1 25.0 16试验最后的室温:22 ,冷却水C温:17三.实验结果处理 FtQ2取实验记录中最后四点稳定的 和 值，计算出它们的平均值： CttLR 7.2440.58.26.2.1.3.59.1冷，热面的温差 /14.0.2167.5CmWt 8镍铬-铜镍（鏮铜）热电偶（E 型）温度-微伏对照表V V V V V V V V V V温度0 1 2 3 4 5 6 7 8 90 0 59 118 176
15、 235 194 354 413 472 53210 591 651 711 770 830 890 950 1010 1071 113120 1192 1252 1313 1373 1434 1495 1556 1617 1678 174030 1801 1862 1924 1986 2047 2109 2171 2233 2295 235740 2420 2482 2545 2607 2670 2733 2795 2858 2921 298450 3048 3111 3174 3238 3301 3365 3429 3492 3556 362060 3658 3749 3813 3877
16、3942 4006 4071 4136 4200 426570 4330 4395 4460 4526 4591 4656 4722 4788 4853 491980 4985 5051 5117 5183 5249 5315 5382 5448 5514 558190 5648 5714 5781 5848 5915 5982 6049 6117 6184 6251100 6319 6386 6454 6522 6590 6658 6725 6794 6862 6930第二节 球体法测定保温材料的导热系数一、实验目的 测定颗粒材料的导热系数。二、实验原理由同心等温热球面（直径，温度）和冷球面
17、（直径，温度）围成的空间装满“均匀”试材，球的中心部位装有电热器，全中热量均通过两球中间颗粒材料夹层而传至外界，利用球壁稳态导热公式可得颗粒材料的导热系数 为：)(221tdQ（ 3-2-1）式中，Q热流量，W；试材的导热系数，W/（m）d 1内球的外径（热球面） ，mm；d 1外球壳的内径（冷球面） ，mm；t 1热球面温度，；t2冷球面温度，。测得通过试材的热流量 Q、内外球壁温度t1 与 t2，把以上数据代入导热系数计算式（3-2-2）中即可求出 的数值。如果试材是颗粒状的，或纤维状的，则所得到的是整体导热系数或当量导热系数。图 3-2-1 球壁导热装置1内球；2外球；3实验材料；4直流稳压电源；5测温热电偶9三、实验装置图球壁导数装置如图 3-2-1 所示。四、实验步骤1. 将实验材料烘干，在称其重量后将试材安装入实验装置内。2. 按图接线，经检查无误后，接通电源加热，加热一段时间后测量 t1，t 2，直至全系统达到热稳定状态为止。3. 记录实验数据。五、实验结果整理将所测数据代入式（3-2-1） ，算出实验材料的导热系数 。
