工程热力学与传热学精要.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