工程热力学与传热学汇编.docx

工程热力学与传热学实验指导书热工实验2013年3月实验一非稳态（准稳态）法测材料的导热性能实验一、实验目的1.快速测量绝热材料（不良导体）的导热系数和比热。掌握其测试原理和方法。2.掌握使用热电偶测量温差的方法。二、实验原理图1 第二类边界条件无限大平板导热的物理模型本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。设平板厚度为2δ，初始温度为t0，平板两面受恒定的热流密度qc均匀加热（见图1）。求任何瞬间沿平板厚度方向的温度分布t(x，)。导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件如下：方程的解为：(1-1)式中：— 时间； — 平板的导热系数； — 平板的导温系数；— ， = 1，2，3，………；F0 — 傅里叶准则；— 初始温度； — 沿x方向从端面向平面加热的恒定热流密度。随着时间的延长，F0数变大，式(1-1)中级数和项愈小，当F0 0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式(1-1)变成(1-2)由此可见，当F0 0.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是常数，并且到处相同。这种状态称为准稳态。在准稳态时，平板中心面x=0处的温度为：平板加热面x =δ处为：此两面的温差为：(1-3)如已知和δ，再测出，就可以由式(1-3)求出导热系数：(1-4)实际上，无限大平板是无法实现的，实验总是用有限尺寸的试件，一般可认为，试件的横向尺寸为厚度的6倍以上时，两侧散热对试件中心的温度影响可以忽略不计。试件两端面中心处的温度差就等于无限大平板时两端面的温度差。根据热平衡原理，在准稳态时，有下列关系：式中：F为试件的横截面；C为试件的比热；为其密度；为准稳态时的温升速率。由上式可得比热：(1-5)实验时，以试件中心处为准。三、实验装置按上述理论及物理模型设计的实验装置如图2所示，说明如下1.试件试件尺寸为199×199×δ共四块，尺寸完全相同，。每块试件上下面要平行，表面要平整。2. 加热器采用高电阻康铜箔平面加热器，康铜箔厚度仅为20，加上保护箔的绝缘簿膜，总共只有70。其电阻值稳定，在0－100℃范围内几乎不变。加热器的面积和试件的端面积相同，也是199×199的正方形。两个加热器电阻值应尽量相同，相差应在0.1%以内。3. 绝热层用导热系数比试件小得多的材料作绝热层，力求减少热量通过，使试件1、4与绝热层的接触面接近绝热。这样，可假定式(1-4)中的热量等于加热器发出热量的1/2。4. 热电偶利用热电偶测量试件2两面的温差及试件2、3接触面中心处的温升速率。热电偶由0.1的铜—康铜丝制成，其接线如图3所示。热电偶的冷端放在冰瓶中，保持零度。实验时，将四个试件齐迭放在一起，分别在试件1和2及试件3和4之间放入加热器1和2，试件和加热器要对齐。热电偶的放置如图3，热电偶测温头要放在试件中心部位。放好绝热层后，适当加以压力，以保持各试件之间接触良好。图2实验装置示意图四、实验步骤1. 用卡尺测量试件的尺寸：面积F和厚度δ。2. 按图2和图3放好试件、加热器和热电偶，接好电源，接通稳压器，并将稳压器预热10分钟（注：此时开关K是打开的）。接好热电偶与电位差计及转换开关的导线。图3实验装置图3. 校对电位差计的工作电流。然后，将测量转换开关拨至“1”测出试件在加热前的温度，此温度应等于室温。再将转换开关拨到“2”，测出试件两面的温差，此时，应指示为零热电势，测量出的示值差最大不得超过0.004，即相应初始温度差不得超过0.1℃。4.接通加热器开关，给加热器通以恒电流（试验过程时，电流不允许变化。此数值事先经实验确定）。同时，启动秒表，每隔一分钟测读一个数值，奇数值时刻（1 分，3分，5分 ……）测“2”端热电势的毫伏数，偶数值时刻（2分，4分，6分 ……），测“1”端热电势的毫伏数。这样，经过一段时间后（随所测材料而不同，一般为10 —20分钟），系统进入准稳态，“2” 端热电势的数值（即式（4）中的温差）几乎保持不变。并记下加热器的电流值。5.第一次实验结束，将加热器开关K切断，取下试件及加热器，用电扇将加热器吹凉，待其和室温平衡后，才能继续做下一次实验。但试件不能连续做实验，必须经过四小时以上的放置，使其冷却至与室温平衡后，才能再做下一次实验。6.实验全部结束后，必须断开电源，一切恢复原状。五、实验数据记录及处理室温： (℃) 加热器电流I： (A)加热器电阻（两个加热器电阻的并联值）R： (Ω)试件截面尺寸F：0.1992()；试件厚度：0.01 ()试件材料密度：1165.5()；热流密度：()时间（分）012345678温度“1”[mV]温差“2”[mV]91011121314151617