传热学实验指导报告 6页

A 传热学实验指导书 成都大学 工业制造学院材料工程系 二〇一一年三月 一、导热系数的测量 导热系数是反映测量热性能的物理量，导热是热交换三 种基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能 源、环保等各研究领域的课题之一。要认识导热的本质特征， 需要了解粒子物理特性，而目前对导热机理的理解大多数来 自固体物理实验。材料的导热机理在很大程度上取决于它的 微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动 以及电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和 大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。因此，材料的导 热系数不仅与构成材料的物质种类有关，而且与它的微观结 构、温度、压力及杂质含量相联系。在科学实验和工程设计 中所采用材料导热系数都需要用实验方法测定。 1882 年法国科学家 J·傅里叶奠定了热传导理论，目前 各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律的基 础上，从测量方法来说，可分为两大类：稳态法和动态法， 本实验是稳态平板法测量材料的导热系数。 【实验目的】 1、 了解热传导现象的物理过程 2、 学习用稳态平板法测量材料的导热系数 3、 学习用 作图法求冷却速率 4、 掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法 【实 验仪器】 1、 YBF-3 导热系数测试仪 一台 2、 冰点补偿装置 一台 3、 测试样品（硬铝、硅橡胶、胶木板） 一组 4、 塞尺 一把 5、 游标卡尺（量程 200mm） 一把 6、 天平（量程 1kg，分辨率 0.1g） 一台 【实验原理】 为了测定才材料的导热系数，首先从热导率的定义和它 的物理意义入手。热传导定律指出：如果热量是沿着 Z 方向 传导，那么在 Z 轴上任一位置 Z0，处取一个垂直截面 A（如 图 1）以 dt/dz 表示 Z 处的温度梯度，以 dQ/dτ表示该处的 传热速率（单位时间通过截面积 A 的热量），那么传导定律可 表示为： dQd?dt?z?z0?A?dz 1-1 式中的负号表示热量从高温向低温区传导（即热传导的 方向与温度梯度的方向相反）。式中的λ即为导热系数，可见 热导率的物理意义：在温度梯度为一个单位的情况下，单位 时间内通过单位截面面积的热量。 利用 1-1 式测量测量的导热系数，需解决的关键问题有 两个：一个是在材料中造成的温度梯度 dt/dz，并确定其数值； 另一个是测量材料内由高温区向低温区的传热速率 dQ/dτ。 1、温度梯度 dt/dz 的测量 为了在样品内造成一个温度梯度分布，可以把样品加工 成平板状，并把它夹在两块良导体——铜板之间（图 2），使 两块铜板分别保持在恒定温度 t1 和 t2，就可能在垂直样品方 向上形成温度的梯度分布。样品的厚度可做成 h《D（样品直 径）。这样，由于样品侧面积比平板面积小得多，由侧面散去 的热量可以忽略不计，可以认为热量是沿垂直于样品方向传 导，即只在此方向有温度梯度。由于铜板是热的良导体，在 达到平衡时，可以认为同一铜板各处的温度相同，样品内同 一平行平面上各处的温度相同。这样只要测出样品的厚度 h 和两块铜板的温度 t1 和 t2，就可以确定样品内的温度梯度 为： dtdz?t1?t2h 当然，这需要铜板与样品表面要紧密接触（无缝隙），否 则中间的空气层将产生热阻，使得温度梯度测量不准确。 为了保证样品中温度场的分布具有良好的对称性，把样 品及两块铜板都加工成等大的圆形。 2、传热速率 dQ/dτ的 确定 单位时间内通过一个截面积的热量 dQ/dτ是一个无法直 接测量的，我们只有设法将这个量转化为容易测量的量。为 了维持一个恒定的温度梯度分布，必须不断地给高温侧铜板 加热，热量通过样品传到低温侧铜板，低温侧铜板则要将热 量不断向周围环境散发出。 当加热速率、传热速率、散热速率相等时，系统就达到 一个动态平衡状态，我们称之为稳态。此时低温侧铜板的散 热速率就是样品的传热速率。 这样，只要测出低温侧铜板在稳态 t2 下的散热速率，也 就测量出了样品内的传热速率。但是，铜板的散热速率也不 易测量，还需要作进一步的参量转换。我们知道，铜板的散 热速率与其冷却速率（温度变化率 dt/dτ有关），其表达式为： dQd?t2mcdtd?t2 1-2 式中 m 为铜板的质量，c 铜板的比热容。因为质量容易直 接测量，c 为常量，这样对铜板的散热速率的测量又转化为对 低温侧铜板冷却速率的测量。 铜板的冷却速率可以这样测量：在达到稳态后，移去样 品，用加热铜板直接对下铜板加热，使其温度高于稳定稳定 t2（大约 10℃），再让下铜板在空气中自然冷却，直到温度低 于 t2，测出温度从大于 t2 到小于 t2 区间随时间变化关系， 并绘制出 t—τ曲线，此曲线在 t2 处的斜率就是铜板在稳态 温度 t2 的冷却速率。 应该注意的是，这样得出的 dt/dτ是铜板全部表面暴露 于空气中的冷却速率，其散热面积为 22?Rp?2?Rphp（Rp 和 hp 分别为下铜板半径和厚度）,然而在实验时的稳态传热 时，铜板的上表面是被 样品覆盖的，由于物体的散热速率与它们的面积成正比， 所以在实验稳态时，铜板的散热速率的表达式应修正为： dQd?dtmcdR2?2?Rphpp 1-3 2?R2p?2?Rphp 根据前面分析，这个表达式就是样品的传 热速率计算式。 将上式代入 1-1 式，并考虑到 A=πR2 可以 得到导热系数计算式： mc 【实验步骤】 2hp?Rphdt12hp?2Rp?R2t1?t2d?t?t2 1-4 式中 R 为样品的半径，h 为样品高度，m 为下铜板质量， c 为铜板比热容，Rp 和 hp 分别为下铜板半径和厚度。都是为 常量或可以测量的。 1、 导热系数测定装置的信号通道的接线见上图三所示。 2、 用游标卡尺、天平等量具测量样品、下铜板的几何 尺寸和质量的必要的物理量，多次测量，然后 取平均值。其中铜板的比热容 c=0.385kJ/K·kg。 3、 加 热温度的设定： ①按一下温控器面板上的设定键（S），此时设定值（SV） 后一位数码管开始闪烁。 ②根据实验所需温度的大小，再按设定键（S）左右移动 到所需设定的位置，然后通过加（▲）键和减（▼）键来设 定所需加热温度。 ③设定好温度后 8 秒显示将返回到测定温度状态显示。 3、圆筒发热盘侧面和散热盘 P 侧面，都有供安装热电偶 的小孔，安放时此两小孔都一个与冰点补偿器在同一侧，以 免线路错乱。热电偶插入小孔时，要抹上些硅脂，并插到孔 洞底部，保证接触良好，热电偶冷端接到冰点补偿器的信号 输入端。 将温度控制方式打到“自动”，“手动控制”开关打到高 档，PID 控温仪表将会使发热盘的温度自动加热到设定值。每 隔 2 分钟读一下温度指示值，如果在一段时间内样品上下表 面温度 t1、t2 示值不变，就可认为达到稳定状态。记录下稳 态时的 t1、t2 值。 4、移去样品，将上下铜板贴合后，继续对下铜板加热， 当下铜板温度比 t2 高出 10℃左右时，将上铜盘移开，让下铜 盘所有表面均暴露于空气中，使下铜盘自然冷却。 5、每隔 30 秒记录一次下铜盘的温度示值并记录，直到 温度下降到 t2 以下的一定值（10℃左右）。作铜盘的 t—τ冷 却速率曲线（选取临近 t2 的测量数据求出冷却速率）。 时间 （S） 温度℃ 电压 mV 6、根据 1-4 式计算样品的导热系数λ。 7、本实验选用铜—康铜热电偶，温差 100℃时，其温差 电动势约 4.0mV。由于热电偶冷端温度为 0℃，对一定材料的 热电偶而言，当温度变化不大时，其温差电动势与待测温度 是一个常数。由此，用 1-4 式计算时，可以直接以电动势值 代表温度值。 【实验注意事项】 0 30 60 90 120 150 180 1、稳态法测量时，要使温度稳定约需 40 分钟左右。当 温度示值在 3 分钟内不变时，即可认为已达稳态，记下此时 的毫伏表读数 V1 和 V2，以及温度读数 t1、t2 值。 2。测量金属的稳态导热系数时，热电偶应该插到金属样 品上两端的小孔中；测量散热速率时，热电偶要重新插到铜 散热盘 P 的小孔中。t1、t2 值为稳态时金属样品上下两侧的 温度，此时散热盘 P 的温度为 t3，因此测量 P 的冷却速率应 为：?tt?t3，所以： mc?th1?t21R2tt?t3 测 t3 值时要在 t1、t2 达到稳定时，将上面测 t1 或 t2 的热电偶移下来插到散热盘小孔中进行测量。高度 h 按金属 样品上的小孔中心距离计算。 3、每次实验只能测量一种材料。当出现异常报警时，温 控器测量值显示：HHHH，设置值显示：Err。 思考题： 1、测导热系数λ要满足哪些条件？在实验中如何保证？ 2、测冷却速率时，为什么要在稳态温度 T2（或 T3）附 近选值？如何计算冷却速率？ 3、讨论本实验的误差因素， 并说明导热系数可能偏小的原因。 二、非稳态导热试验 本实验属于综合性试验，它主要涉及工程数学、传热学 及其材料测试技术。因此，学生在试验前必须先掌握以上相 关知识，在此基础上根据实验目的和要求操作实验，处理数 据，分析结果。 【实验目的】 通过本实验，不但可使学生加深对传热全过程，及导热、 对流等基础知识的掌握，同时，也可使学生对强化传热概念、 数据处理方法等有时刻的了解。其次通过本实验，还可以使 学生了解非稳态传热系统的组成、实验方法及仪表使用。【实 验内容】 1、了解材料加热及冷却过程中表面与中心温度的变化； 2、加深不同传热系数冷却介质对冷却温度场的影响； 3、掌握实验基本原理、实验装置结构，学会使用实验仪 器与设备； 4、掌握对实验结果数据进行处理和误差分析的 方法。 【实验仪器】 有温度自动控制系统的 SX2-8-10 电阻炉 1 台 ZJ16A 多点温度测试仪 1 台 直径 2mm 的 K 型热电偶 2 根 45 钢试样：φ50mm×100mm（中心钻φ3 深 30 孔） 1 块 【实验原理】 材料在加热冷却过程中的温度场分布不仅取决于材料的 性能（密度、导热系数、比热容），而且与材料和周围环境的 热交换密切相关。本实验通过对试样在炉中的加热及在不同 冷却介质中的冷却，采用一组热电偶的热端固定于试样表面 的不同位置，利用多点温度记录仪测量和记录任意时刻试样 各测点的温度——