实验1稳态平板法测定绝热材料导热系数 [实验目的 1.巩固和深化一维稳态导热的基本理论，掌握实验方法： 2.学习用平板法测定实验材料的导热系数： 3.测定实验材料导热系数与温度的关系曲线。 [实验原理] 导热系数是表征材料导热能力的物性参数。不同材料，导热系数各不相同。对同一 种材料，导热系数还会随着温度、压力、湿度、物质结构等因素的变化而改变。材料的 导热系数都用实验方法米测定。如果要考虑不同因素的影响，就需要针对各种因素设计 不同的装置来实验，在一种装置上无法测定所有因素对导热系数的影响。稳态平板法应 用平板一维稳态导热的基本原理，实验测定绝热材料的导热系数，并确定导热系数随温 度变化的关系。 由传热学理论，平板一维稳态导热时的热流量为 。=岩 (1-1) 式中九一材料导热系数，W/(m·K): A一一平板导热面积，m2: 6一一平板厚度，m: △1一一平板冷、热两面的温差，·C。 若平板热面温度为t®，冷面温度为t,则 At=tr-t (1-2) 因此，在一维稳态导热条件下，平板材料的导热系数为 1、6 (1-3) △A 需要指出的是：导热系数对应的定性温度为平板冷、热两面的平均温度，即 i=+上 (1-4) 2 [实验装置] 实验装置如图1-1所示
实验 1 稳态平板法测定绝热材料导热系数 [实验目的] 1.巩固和深化一维稳态导热的基本理论，掌握实验方法； 2.学习用平板法测定实验材料的导热系数； 3.测定实验材料导热系数与温度的关系曲线。 [实验原理] 导热系数是表征材料导热能力的物性参数。不同材料，导热系数各不相同。对同一 种材料，导热系数还会随着温度、压力、湿度、物质结构等因素的变化而改变。材料的 导热系数都用实验方法来测定。如果要考虑不同因素的影响，就需要针对各种因素设计 不同的装置来实验，在一种装置上无法测定所有因素对导热系数的影响。稳态平板法应 用平板一维稳态导热的基本原理，实验测定绝热材料的导热系数，并确定导热系数随温 度变化的关系。 由传热学理论，平板一维稳态导热时的热流量为 t A Δ = （1-1） 式中 ——材料导热系数， W (mK) ； A ——平板导热面积， 2 m ； ——平板厚度， m ； Δt ——平板冷、热两面的温差， C o 。 若平板热面温度为 R t ，冷面温度为 L t ，则 R L Δt = t − t （1-2） 因此，在一维稳态导热条件下，平板材料的导热系数为 ΔtA = （1-3） 需要指出的是：导热系数对应的定性温度为平板冷、热两面的平均温度，即 2 R L t t t + = （1-4） [实验装置] 实验装置如图 1-1 所示
上冷水 辅助加热器 主加热器 辅助如热器 试件1 试件2 下冷水箱 式铜板 辅助加热器2 上冷水 下冷水箱 d 辅助加热器 威 纯助加热器 主加热器 国1-1实验台主体示意图
图 1-1 实验台主体示意图 1 t 3 t 2 t 4 t 下冷水箱 6 t 辅助加热器 主加热器 辅助加热器 铜板 上冷水箱 试件 1 试件 2 5 t 主加热器 上冷水箱 下冷水箱 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 辅助加热器 1 辅助加热器 2 辅助加热器 3 辅助加热器 4
实验材料做成了两块相同的方形薄壁平板，面积为300×300mm2。平板中间为实 验测试部分，即平板试件，其导热面积A为200×200mm2,板的厚度8可实际测量。 实验台主体为“夹心三明治结构”。中心为主加热器，两侧为平板试件，外侧为上、 下水套（上、下冷水箱），各部分重叠对称放置，被夹紧以减小接触热阻。 加热器的上下面与试件、上下水套与试件的接触面都设有铜板，以使温度均匀。上 下水套中通以循环冷却水，可保证试件冷面温度恒定。主加热器为薄膜式加热片，设置 在200×200mm2的部位上。为使主加热器的热量能够全部单向通过两个试件，并被上 下水套带走，在主加热器四周（即200×200mm2之外的四周）设有四个辅助加热器， 利用专用的温度跟踪控制器，使主加热器的四周与中间的温度保持一致，从而避免热流 量向旁侧散失。 各接触面铜板上埋设有热电偶，可测量主加热器中心温度(，（或1，入、上下水套冷 面中心温度，（或t4入辅助加热器热面的温度1和t。其中一个辅助热电偶，（或t,)》 连接到温度跟踪控制器上，与主加热器中心热电偶1，（或t,)的温度相比较，并控制辅 助加热器，即所有的辅助加热器都跟踪主加热器，使温度与主加热器保持一致。 实验中，由热电偶(，（或t2)测出试件热面的温度t®，由热电偶，（或1：）测量 试件冷面的温度1，主加热器的电功率用电功率表或电压表和电流表来测量。试件加热 过程中还可以观测辅助加热器的温度，以便与主加热器的温度相比较，从而了解主、辅 加热器的控制和跟踪情况。 [实验内容] (一)仪器调整 1.将两个平板试件仔细地安装在加热器的上下面上，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、冷水箱等安装到位后，在上面加压一定的重物，或 用夹具夹紧，以使它们都能紧密接触。 2.把实验台上的一个主热电偶和一个辅助热电偶的引出端，分别连接到温度跟踪控 制器前面板的相应接插座上。注意：热电偶的“十”端接红色插座，“一”端接黑色插 座，不要接错。 3.将主加热器连接到主加热电源（主调压器）电路中，再接入一个测量热功率的电 功率表（或电压表和电流表）。 4.如图1-2所示，把后面板中间位置上的两个控制引出端，如同开关一样串接于
实验材料做成了两块相同的方形薄壁平板，面积为 2 300 300mm 。平板中间为实 验测试部分，即平板试件，其导热面积 A 为 2 200 200mm ，板的厚度 可实际测量。 实验台主体为“夹心三明治结构”。中心为主加热器，两侧为平板试件，外侧为上、 下水套（上、下冷水箱），各部分重叠对称放置，被夹紧以减小接触热阻。 加热器的上下面与试件、上下水套与试件的接触面都设有铜板，以使温度均匀。上 下水套中通以循环冷却水，可保证试件冷面温度恒定。主加热器为薄膜式加热片，设置 在 2 200 200mm 的部位上。为使主加热器的热量能够全部单向通过两个试件，并被上 下水套带走，在主加热器四周（即 2 200 200mm 之外的四周）设有四个辅助加热器， 利用专用的温度跟踪控制器，使主加热器的四周与中间的温度保持一致，从而避免热流 量向旁侧散失。 各接触面铜板上埋设有热电偶，可测量主加热器中心温度 1 t （或 2 t ）、上下水套冷 面中心温度 3 t （或 4 t ）、辅助加热器热面的温度 5 t 和 6 t 。其中一个辅助热电偶 5 t （或 6 t ） 连接到温度跟踪控制器上，与主加热器中心热电偶 1 t （或 2 t ）的温度相比较，并控制辅 助加热器，即所有的辅助加热器都跟踪主加热器，使温度与主加热器保持一致。 实验中，由热电偶 1 t （或 2 t ）测出试件热面的温度 R t ，由热电偶 3 t （或 4 t ）测量 试件冷面的温度 L t ，主加热器的电功率用电功率表或电压表和电流表来测量。试件加热 过程中还可以观测辅助加热器的温度，以便与主加热器的温度相比较，从而了解主、辅 加热器的控制和跟踪情况。 [实验内容] (一)仪器调整 1.将两个平板试件仔细地安装在加热器的上下面上，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、冷水箱等安装到位后，在上面加压一定的重物，或 用夹具夹紧，以使它们都能紧密接触。 2.把实验台上的一个主热电偶和一个辅助热电偶的引出端，分别连接到温度跟踪控 制器前面板的相应接插座上。注意：热电偶的“＋”端接红色插座，“－”端接黑色插 座，不要接错。 3.将主加热器连接到主加热电源（主调压器）电路中，再接入一个测量热功率的电 功率表（或电压表和电流表）。 4. 如图 1-2 所示，把后面板中间位置上的两个控制引出端，如同开关一样串接于
四个辅助加热器和辅助加热电源（辅调压器）电路中。 温度跟踪控制 辅助加热器电源 主加热器电源 A 123 4 加热 图1-2实验台电路连接图 5.准备试验时，将主加热器的电源（主调压器）电压调到合适的电压值上（开始可 调到30V),辅助加热器电源（辅调压器）的电压始终调为主加热电源电压的2倍值。 用50V以上的电压加热时，必须注意升温情况，以免过热而造成试样和设备损坏。 6.检查无误后，接通主加热器和辅助加热器电源，并将温度跟踪控制器的电源接上。 打开电源开关，即可加热和进行温度自动跟踪。同时，开动水泵，向上下水套通入循环 冷水。 温度跟踪控制器正常工作时，其绿色小指示灯将一会儿亮一会儿灭。亮时表示辅助 加热器接通，灭时为断开，从而进行温度控制。若指示灯长时间不亮或长时间不灭，可 能有三种情况：①热电偶“十”、“一”端接反：②辅助加热电源电压不够高：③电路连 接有问题。此时，可停机断电后进行检查更正。 7.系统运行一段时间后(0.5~1小时)，就可以开始对试件的热面温度t®、冷面温 度1，进行测试。待到温度基本稳定后，就可以每隔一段时间进行一次电功率Q(或电 压U和电流I)以及温度的测量和记录，从而得到更稳定的测试结果。 8.一个工况试验后，可以将设备调到另一个工况，即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。一般通过调节电压来实现功率的调节， 电压可在30V~60V之间变化，从30V开始每隔5V测试一个工况
四个辅助加热器和辅助加热电源（辅调压器）电路中。 图 1-2 实验台电路连接图 5.准备试验时，将主加热器的电源（主调压器）电压调到合适的电压值上（开始可 调到 30V ），辅助加热器电源（辅调压器）的电压始终调为主加热电源电压的 2 倍值。 用 50V 以上的电压加热时，必须注意升温情况，以免过热而造成试样和设备损坏。 6.检查无误后，接通主加热器和辅助加热器电源，并将温度跟踪控制器的电源接上。 打开电源开关，即可加热和进行温度自动跟踪。同时，开动水泵，向上下水套通入循环 冷水。 温度跟踪控制器正常工作时，其绿色小指示灯将一会儿亮一会儿灭。亮时表示辅助 加热器接通，灭时为断开，从而进行温度控制。若指示灯长时间不亮或长时间不灭，可 能有三种情况：①热电偶“＋”、“－”端接反；②辅助加热电源电压不够高；③电路连 接有问题。此时，可停机断电后进行检查更正。 7.系统运行一段时间后（ 0.5 ~ 1 小时），就可以开始对试件的热面温度 R t 、冷面温 度 L t 进行测试。待到温度基本稳定后，就可以每隔一段时间进行一次电功率 Q （或电 压 U 和电流 I ）以及温度的测量和记录，从而得到更稳定的测试结果。 8.一个工况试验后，可以将设备调到另一个工况，即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。一般通过调节电压来实现功率的调节， 电压可在 30V ~ 60V 之间变化，从 30V 开始每隔 5V 测试一个工况。 辅 助 热 电 偶 温度跟踪控制 辅助加热器电源 主加热器电源 器 辅助加热器 主加热器 主 热 电 偶 在 后 面 板 A V 1 2 3 4
9.测试结束后，先切断加热器电源，并关闭温度跟踪控制器，经过10分钟左右再 关闭水泵（或停放自来水）。 (二)测量数据 1.试验台主要参数 实验材料：聚氯乙烯 试件外形尺寸：300×300mm2 导热面积A:200×200mm1 试件厚度6：15mm 主加热器电阻值R:1002 辅助加热器（每个）电阻值：502 热电偶材料：镍铬-康铜 试件最高加热温度：≤80°C 2.实验数据记录 表1-1一个工况试验数据记录 读数时间 热面温度tR 冷面温度t, At=tg-tL 0 各注 (时分) (°C) (9C) (°C) (W) 实验最后 室温： 冷却水温 [注意事项] 1.实验开始阶段，试件加热达到稳态时间较长。为节省时间，可在进入实验室后
9.测试结束后，先切断加热器电源，并关闭温度跟踪控制器，经过 10 分钟左右再 关闭水泵（或停放自来水）。 (二)测量数据 1.试验台主要参数 实验材料：聚氯乙烯 试件外形尺寸： 2 300 300mm 导热面积 A ： 2 200 200mm 试件厚度 ：15mm 主加热器电阻值 R ：100Ω 辅助加热器（每个）电阻值： 50Ω 热电偶材料：镍铬-康铜 试件最高加热温度： 80 C o 2.实验数据记录 表 1-1 一个工况试验数据记录 读数时间 （时分） 热面温度 R t （ C o ） 冷面温度 L t （ C o ） R L Δt = t − t （ C o ） Q （ W ） 备注 实验最后 室温： 冷却水温： [注意事项] 1.实验开始阶段，试件加热达到稳态时间较长。为节省时间，可在进入实验室后
接通电源，调整加热器功率，打开循环水，事先对试验台预热。 2.在长时间的测试过程中，如果发现热面温度升温过快或过高，且冷面温度也不易 稳定时，可适当减低主加热电源电压，并同时改变辅加热器电源的电压（仍保持为主加 热电压的2倍左右)，使冷、热面的温度趋向稳定。反之，适当提高主加热电源电压。 3.稳态的判断：在半分钟的时间内，试件冷、热面温差△t基本不变。 4.测试温度不宜超过80°C。 5.实验结束时，先断加热器和温度跟踪控制器电源，10分钟后再关水泵。 [数据处理] 1.导热热流量的计算 主加热器功率： Q=IU=UR (W) (1-5) 式中I一一主加热器的电流值，A: U一一主加热器的电压值，V: R一一主加热器的电阻值，2。 导热热流量： Φ=2/2(W (1-6) 2.试件的温差及平均温度 实验达到稳态后，取连续三次测试结果的平均值。 试件两面的温差： M=tR-t红(C) (1-7) 试件的平均温度： i=(C) (1-8 2 式中tR一一试件热面温度，C: t一一试件冷面温度，·C 3.导热系数的计算 平均温度时的导热系数：
接通电源，调整加热器功率，打开循环水，事先对试验台预热。 2.在长时间的测试过程中，如果发现热面温度升温过快或过高，且冷面温度也不易 稳定时，可适当减低主加热电源电压，并同时改变辅加热器电源的电压（仍保持为主加 热电压的 2 倍左右），使冷、热面的温度趋向稳定。反之，适当提高主加热电源电压。 3.稳态的判断：在半分钟的时间内，试件冷、热面温差 Δt 基本不变。 4.测试温度不宜超过 80 C o 。 5.实验结束时，先断加热器和温度跟踪控制器电源， 10 分钟后再关水泵。 [数据处理] 1.导热热流量的计算 主加热器功率： Q IU U R 2 = = （ W ） （1-5） 式中 I ——主加热器的电流值， A ； U ——主加热器的电压值， V ； R ——主加热器的电阻值， Ω 。 导热热流量： = Q 2 （ W ） （1-6） 2.试件的温差及平均温度 实验达到稳态后，取连续三次测试结果的平均值。 试件两面的温差： R L Δt = t − t （ C o ） （1-7） 试件的平均温度： 2 R L t t t + = （ C o ） （1-8） 式中 R t ——试件热面温度， C o ； L t ——试件冷面温度， C o 。 3.导热系数的计算 平均温度时的导热系数：
(1-9) △tA 式中6—平板厚度，m: A一一平板导热面积，A=0.2×0.2m2) 4.作出导热系数与温度曲线 将不同平均温度下的导热系数，描绘在坐标纸上，得到材料的入一t的关系曲线。 [问题思考] 1.实验中，如何实现平板的一维稳态导热过程？ 2.稳态平板法能不能测定非绝热材料的导热系数？说明理由
ΔtA = （1-9） 式中 ——平板厚度， m ； A ——平板导热面积， ( ) 2 A = 0.2 0.2 m 。 4.作出导热系数与温度曲线 将不同平均温度下的导热系数，描绘在坐标纸上，得到材料的 − t 的关系曲线。 [问题思考] 1.实验中，如何实现平板的一维稳态导热过程？ 2.稳态平板法能不能测定非绝热材料的导热系数？说明理由