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传热学
实
实
验指导书
实验一导热系数和黑度测定
第一部分稳态球体法测粒状材料的导热系数
实验类型:操作型实验学时:1实验要求:必修
一、实验目的
1.加深对稳定态导热过程基本理论的理解。
2.掌握用球壁导热仪测定粉状、颗粒状及纤维状隔热材料导热系数的方法和技能。
3.确定材料的导热系数和温度的关系。
4.学会根据材料的导热系数判断其导热能力并进行导热计算。
二、实验原理
球体法测材料的导热系数是基于等厚度球状壁的一维稳态导热过程,它特别适用于粒状松散材料。球体导热仪的构造依球体冷却的不同可分为空气自由流动冷却和恒温液体强制冷却两种。本实验属后一种恒温水冷却液套球体方式。
图1所示球壁的内径直径分别为d1和d2(半径为r1和r2)。设球壁的内外表面温度分别维持为t1和t2,并稳定不变。将傅里叶导热定律应用于此球壁的导热过程,得
W(1)
边界条件为
r=r1t=t1
r=r2t=t2图1原理图
由于在不太大的温度范围内,大多数工程材料的导热系数随温度的变化可按直线关系处理,对式(1)积分并代入边界条件,得
W(2)
或W/m·℃(3)
式中δ——球壁之间材料厚度,δ=(d2-d1)/2,m;
λm——tm=(t1+t2)/2时球壁之间材料的导热系数。
因此,实验时应测出内外球壁的温度t1和t2,然后可由式(3)得出tm时材料的导热系数λm。
改变t1,t2,测定不同tm下的λm值,就可获得导热系数随温度变化的关系式。
三、实验设备
导热仪本体结构及量测系统示意图如图2所示。
图2球体结构及量测系统示意图
本实验采用双水套球测量装置,如图所示。温度的测量由焊接在内外球壁上的热电偶相连接的巡检仪测量。本体由两个厚1~2mm的不锈钢球壳1和2组成,内球壳外径d1,外球壳内径d2,在两球壳之间均匀充填粒状散料。d2为150mm,d1为70mm,故充填材料厚为40mm,内壳中装有电加热器,它产生的热量将通过球壁充填材料导至外球壳。为使内外球壳同心,两球壳之间有支承杆。
外球壳的散热方式一般有两种:一种是以空气自由流动方式(同时有辐射)将热量从外壳带走;另一种是外壳加装冷却液套球,套球中通以恒温水或其他低温液体作为冷却介质。本实验为双水套球结构。为使恒温液套球的恒温效果不受外界环境温度的影响,在恒温液套球之外再加装一个保温液套球。保温液套与稳态平板法一样,利用球体导热仪的设备亦可测量材料的导温系数。
四、实验方法及数据整理
1.将被测物料置于烘箱中干燥,然后从球体顶端加料口上加入,加入过程中可以用木头在球体外表轻轻敲打,让均匀地填充在同心球的夹层之间。直到待测材料与加料口齐平,然后盖上。
2.检查水箱里是否有水,要保证水箱水位在2/3左右。打开电源开关,打开水泵开关和加热开关,启动直流加热电源。
3.估计热球所需加热功率,并按此范围调节直流稳压电源的电压大小(最高电压50V),之后不再更动。然后,观察各项测试数据的变化情况,当各项测试数据都不随时间改变时,即达到了热稳定状态。此时记录下测试时间和有关数据。以后,每隔10-15分钟测试和记录一次。在实验过程中要求记录的次数不少于四次。
4.改变加热量Q,即改变加热电源的电压值,就可进行如上步骤测得另一组测试数据,如此,改变几次加热量Q,就可以得到几组测试数据—n组不同温度下材料导热系数的测试数据。
6.实验完成后,关闭加热开关和水泵开关,关闭电源。如果长时间不使用,要将球体内的物料取出来(球体底部有下料口)。由式(3)计算导热系数。将测量结果标绘在以λ为纵坐标、f为横坐标的图上。按λ=λo(1+bt)整理,确定λo及b值,进一步计算实验点与代表线之间的偏差及实验中的各项误差。
第二部分中温辐射时物体黑度的测试
实验类型:操作型实验学时:1实验要求:必修
一、实验目的
用比较法,定性地测量中温辐射时物体黑度ε。
二、原理概述
由n个物体组成的辐射换热系统中,利用净辐射法,可以求物体I的纯换热量Qnet.i
(1)
式中:
Qnet.i——i面的净辐射换热量。
Qabs.i——i面从其他表面的吸热量。
Qe.i——i面本身的辐射热量。
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