1、3.穩態雙平板法測量非金屬的導熱系數一、實驗目的1鞏固導熱理論知識，了解建立較嚴格的一維穩態導熱的實際方法。2用穩態雙平板法測定非金屬材料的導熱系數，確定導熱系數與溫度之間的關系：或。3學習實際問題的實驗研究方法和有關測試技術。二、實驗裝置本實驗裝置主要包括實驗本體、電源、恒溫水浴和測試系統。圖3.1 實驗裝置原理示意圖實驗本體為對稱的雙平板結構，本體中央為圓形主加熱器及其周圍的環形輔助加熱器，由電阻帶均勻繞成的薄片型電熱器。主、輔加熱器共平面，之間有一個小的環形隔縫。在主、輔加熱器兩側，各放置由導熱系數較大的黃銅做成的方形主均熱板和方形輔助均熱板，主、輔均熱板同厚度共平面，二者之間有5mm的

2、方形隔縫。兩塊邊長等于輔助均熱板邊長的等厚度的同種試件分別置于兩側的均熱板上。并在每塊試材另一面各安置一個方形冷卻器，最后用機械方法從兩個方向將它們壓緊以減小存在于各交界面上的接觸熱阻。冷卻器內有盤旋形小槽，恒溫水在其中沿槽盤旋流動，使試件的冷卻面溫度均勻一致。超級恒溫水浴向兩個冷卻器并聯供給恒溫水，使得兩塊試材的冷卻面等溫。由雙路直流穩壓器分別對主、輔加熱器單獨供電。在實驗時，對于已設定的主加熱器功率，可以調節輔助加熱器的功率，使得在熱穩定時主、輔均熱板間的隔縫在徑向上無溫差，這意味著它們之間無熱量傳遞，主均熱板表面是等溫面，以主加熱器功率的一半對試件的中央部分供應一維導熱熱流。這樣就達到了

3、實驗原理的要求。必須特別指出，試件的厚度不宜過大，否則，由于試件側向散熱及其徑向溫度梯度引起的徑向導熱，使得主均熱板和冷卻器間的試件內各等溫面不再是互相平行的平面，不能滿足一維導熱實驗原理的要求。為了減少實驗本體的側面散熱，其周圍被良好保溫。在主、輔均熱板面和冷卻器冷卻面內共埋設8對鎳鉻鎳硅熱電偶。通過多點切換開關由電位差計測量各熱電偶的輸出熱電勢，查表確定各點溫度。三、實驗原理圖3.2平板導熱原理雙平板法是以無限大平板的導熱規律為基礎。設有一塊厚度為，導熱系數為的無限大平板，一側以恒熱流q(W/)加熱，平板兩表面的溫度分別保持恒等于t1，t2，如圖3.2所示。根據傅立葉定律，描述板內溫度場的

4、導熱微分方程式為：(3.1)對應的邊界條件為：x=0處，t=t1(3.2)x=處，t=t2積分（3.1）式并代入（3.2）式得： (3.3)(3.4)為在平均溫度下板材的導熱系數，等于在t1和t2間材料的平均導熱系數，則（3.4）式可寫為：(3.5)如要確定板材的導熱系數，須在熱穩定時測出加熱（或冷卻）平板一側的恒熱流密度q(W/)和溫度t1，t2，依據（3.5）式便可得板材的平均導熱系數：(3.6)如要確定和t之間的關系，則要求在不同的平板溫度tmi下測出n個平均導熱系數mi，然后根據（3.4）式，應用最小二乘法原理，求得：(3.7)(3.8)從而便可確定關系式或。四、實驗步驟1預習實驗報告

5、，弄懂實驗原理，了解實驗裝置的結構和實驗方法。2將兩面已磨平的試件裝入實驗裝置，并壓緊。3接好直流穩壓電源、電壓表、電流表和電位差計；將超級恒溫水浴的出水口用橡皮管與兩個冷卻器并聯，并將它們的回水橡皮管引回恒溫水浴；熱電偶冷端置于冰瓶內，經指導教師檢查認可。4調節恒溫水浴上的控制溫度計的設定值，啟動恒溫水浴。5接通直流穩壓器。按預先擬定的方案，調節主、輔加熱器的功率，直至達實驗要求。6熱穩定時，每隔10分鐘測量一次，共測三次。7時間許可時，可改變水溫或主、輔加熱器功率，重復5、6步驟，共做68次實驗。8測量數據經指導教師審核后，切斷電源，結束實驗，整理現場。五、實驗數據記錄及處理1本實驗所用試

6、材厚度=20.00mm，面積為170×170mm2， 為了避免主加熱器的電源導線通過輔助加熱器而受熱，現將主加熱器電阻帶的兩端穿過輔助加熱器后與電源線連接。這樣，主加熱器實際傳給試件的熱量小于所測的主加熱器輸入電功率，根據主加熱器電阻帶中未穿過輔助加熱器的長度可以確定一個小于1的功率修正系數K，標示在實驗本體的側面。本實驗裝置采取雙平板的對稱結構，使兩塊試件內的溫度場相同，即t1=t2，t3=t4，同時，調節輔助加熱器功率使得t1=t5，t2=t6，以滿足主加熱器上試件的一維導熱條件。但是，由于加工工藝、裝配質量和功率調節方法等方面的原因，實際中往往得不到上述的理想溫度場。因而，當t

7、1t2，t1t5，t2t6，t3t4時即認為近似符合實驗原理的條件，其近似程度取決于實驗結果所需精度的高低。計算試件在平均溫度tm=(t1+t2+t3+t4)/4下的平均導熱系數(W/m2)時，按照下式進行計算，(3.9)式中：Fe為一維穩態導熱的計算面積（m2），(3.10)2將實驗數據填入表3.1并計算相應的。3確定與tm之間的關系，并繪出曲線。22表3.1穩態雙平板法測定非金屬材料導熱系數記錄表材料厚度 20 材料的面積 170×170 測試人員 測試日期 項目工況主加熱器輔助加熱器恒溫水浴溫度主加熱器溫度輔助加熱器溫度tm電壓V電流A電壓V電流A()()()()()()()W

8、/m工況一123工況二123工況三123工況四123六、思考題1為了建立一維穩定的溫度場，本實驗裝置采取了哪些措施？2如果試件表面不平整時，測得的導熱系數將偏大還是偏小？為什么？3本實驗裝置為什么僅限于測定非金屬材料的導熱系數？對被測試材的導熱系數范圍有無限制？為什么？4本應測量試件冷、熱表面溫度的，但在本實驗裝置中，熱電偶卻是埋設在均熱板面上和冷卻器面上而不是埋設在試件表面上。這是為什么？5如果只有一塊試件，能否用本實驗裝置進行測試，怎樣進行試驗？6如果某試材的導熱系數是隨溫度線性變化的，在用本裝置測定其導熱系數時共做了幾次實驗，事后發現兩塊試件厚度不等，試問應如何整理數據？7是否可用此儀器

9、測濕材的導熱系數？8用穩態平板法測液體導熱系數時要考慮哪些因素？應怎樣進行實驗？4.恒熱流準穩態平板法測定材料的熱物性參數一、實驗目的1 通過實驗測出的溫度變化曲線，進一步加深了解不穩定導熱過程的特征。2 對導溫系數和比熱建立起較直觀的認識。3 掌握快速測試材料熱物性參數的實驗方法和技術。二、實驗裝置實驗裝置主要包括實驗本體、穩壓電源和測量儀表，如圖4.1所示，實驗本體由四塊厚度為的、面積為F的被測材料重疊在一起組成。在第一塊與第二塊之間夾著一個輕型的片狀電熱器，在第三塊和第四塊之間也夾著一個相同的電加熱器，在第二塊與第三塊交界面中心和一個電加熱器中心各安置一對銅康銅電偶。在這四塊重疊在一起的

10、試材頂面和底面加上良好的保溫層，然后用機械的方法把它們均勻地壓緊。電加熱器由晶體管直流穩壓器供電，用0.5級的直流電壓表和直流電流表測量電加熱器的功率。兩對熱電偶的冷端一起放在一個溫度不受擾的保溫盒內（溫度等于0）。用電位差計讀取溫度值 。圖4.1 實驗裝置原理示意圖三、實驗原理根據導熱理論，對厚度為2,初始溫度為t1，導熱系數為，導溫系數為a的無限大平板，當其兩表面用恒熱流密度qw加熱時，平板內任意點的溫度可表示為：(4.1)當加熱經過一段時間后，即F00.5時，（4.1）式中的級數項便可略去不計。這時可得簡單的關系式：(4.2)由式（4.2）可見，板內各點溫度隨時間是線性變化的，而與板面垂

11、直的坐標X是成拋物線關系的，如圖4.2所示。這就是不穩定導熱達到準穩態時的溫度特征。圖4.2 準穩態時板內溫度分布曲線對于X=+的加熱面和X=0的中心面，可將式（4.2）分別寫成：(4.3)由式（4.3）可得導熱系數（W/m）：(4.4)式中：t=tw-tc為同一瞬時加熱面與中心面間的溫差，；qw為單位面積平板表面所獲得熱流量，W/；為平板的半寬度，m。因為不穩態導熱達到準穩態時，板內各點的溫度是隨時間線性變化的。也就是說，此時板內各點溫度對時間的變化率是相同的，故只要測出中心面（或加熱面）的溫度變化率，就可按定義寫出比熱c（J/kg）的計算式為： (4.5)式中：為試材的密度，kg/m3；為

12、中心面的溫度變化率，/s。根據定義，材料的導溫系數a（m2/s）可表示為：(4.6)綜上所述，應用恒熱流準穩態平板法測試材料熱物性時，在一個實驗內可同時測出材料的三個重要的熱物性參數導熱系數、比熱和導溫系數。四、實驗步驟1測量試材尺寸、重量，用以計算試材密度。2將試材裝入實驗裝置，并按圖4.1接線。3接通穩壓電源輸入，將穩壓電源空載工作數分鐘，但此時應將加熱器斷開，不使電流通過電加熱器。4接通電位差計觀察加熱面和中心面兩對熱電偶的數值是否相同。若不同應使其自然冷卻達到均勻溫度，以滿足初始條件。5接通電加熱器，記錄加熱器的電壓和電流值。6當進入準穩態后，每隔一分鐘記錄一次數據，測46組數據7切斷

13、電加熱器電源，并觀察試材在停止加熱后的溫度變化8實驗結束，切斷電源五、實驗數據記錄及處理1試材熱流密度qw的計算。采用輕質片狀電加熱器加熱，畢竟也有一定的熱容量，在加熱過程中，加熱器本身要吸收熱量，而且先于試材吸收。因此試材實驗所吸收的熱量必需從電功率中扣除電加熱器所吸收的熱量。根據實驗原理，我們僅研究電加熱器對中間兩塊試材加熱時的溫度變化就可以了，但為了避免因電加熱器向外難以估計的散熱給qw的計算帶來困難，所以在兩加熱器外側各補上一塊同厚度的試材并加以保溫，這樣，電加熱器將同等地加熱其兩側的每塊試材，每塊試材內的溫度場關于電加熱器是對稱的。兩個同樣的電加熱器是并聯（或串聯）供電的，基于以上分

14、析，試材表面實驗所吸收的熱量qw（W/）應為：(4.6)式中：U加熱器的電壓，V；I加熱器的電流，A；F加熱器（也是試材）面積，；ch=0.079J/加熱器單位面積的比熱；加熱器（也是試材加熱面）的溫度變化率，/s，準穩態時有 。 2數據記錄及處理。將實驗數據填入表4.1，并計算試材的導熱系數、比熱及導溫系數。材料的質量m 468.8 材料面積 材料厚度 試件初始溫差 標準電阻 0.1 表4.1 非準穩態材料熱物性測試記錄表測試人員 測試日期項目實驗次數標準電阻電壓降（V）加熱電流（A）電熱膜電阻（）準穩態時加熱面的熱電勢（mV）準穩態時中心點的熱電勢（mV）準穩態時中心面的溫升（）準穩態時中

15、心面的溫升的時間（s）溫度變化率（/s）熱流密度qw（W/）導熱系數（W/m）比熱c（J/kg）導溫系數a（m2/s）1234六、思考題1這個實驗方法有哪些方面的誤差？如何減少？2試材與試材間和試材與電加熱器間都有縫隙，存在著接觸熱阻，它們對測試結果有何影響？3如因加工偏差而使中間二塊試材厚度不等，一塊厚為，另一塊厚度為，其余條件不變，試計算由此而引起的測試結果的偏差各為多少？4如果將兩對熱電偶接成溫差熱電偶，測出加熱面與中心面的溫差，計算出試材的導熱系數。這樣做法行嗎？如行的話，實驗怎樣做？5本實驗原理可否用于測量金屬等良導體的熱物性？可否用于測量濕材的熱物性？6如欲測試材在不同溫度下的熱物

16、性，可采取什么措施？7本實驗裝置對試材頂部和下部的保溫材料有什么要求？8能否用此法測定導熱系數很小的試材熱物性嗎？測導溫系數很小的試材行嗎？5強迫對流管外換熱系數的測定一、實驗目的1作為綜合實驗，該實驗涉及較多課程知識，測量參數多，如風速、功率、溫度以及計算機基本操作，可考察學生的綜合能力。2測定空氣橫向流過單管表面的平均表面傳熱系數h，并將實驗數據整理成準則方程式。3學習測量風速、溫度、熱量的基本技能，了解對流放熱的實驗研究方法。二、實驗裝置本實驗在一實驗風洞中進行。實驗風洞主要由風洞本體、風機、構架、實驗管及其加熱器、水銀溫度計、傾斜式微壓計、畢托管、電位差計、電流表、電壓表以及調壓變壓器

17、組成。風洞本體如圖5.1所示。圖5.1 風洞本體示意圖1-雙扭曲線進風口；2-蜂窩器；3-整流金屬網；4-第一測試段；5-實驗段；6-第二測試段；7-收縮段；8-測速段；9-畢托管；10-橡皮連接管；11-風機由于實驗段前有兩段整流金屬網，可使進入實驗段前的氣流穩定。畢托管置于測速段，測速段截面較實驗段小，以使流速提高，測量準確。風量由風機出口擋板調節。實驗風洞中安裝了一根實驗管，管內裝有電加熱器作為熱源，管壁嵌有四對熱電偶以測壁溫。三、實驗原理根據相似理論，流體受迫外掠物體時的表面傳熱系數h與流速、物體幾何形狀及尺寸、流體物性間的關系可用下列準則方程式描述，（5.1）實驗研究表明，流體橫向掠

18、過單管表面時，一般可將上式整理成下列具體的指數形式，（5.2）式中：C、n、m均為常數，由實驗確定。為努謝爾特準則數，（5.3）為雷諾準則數，（5.4）為普朗特準則數，（5.5）式中：d為實驗管外徑，作定性尺寸，m；u為流體流過實驗管外最窄面處流速，m/s；為流體導熱系數，W/mK；a為流體導溫系數，m2/s；為流體運動粘度，m2/s；h為表面傳熱系數，W/m2K；下角標m表示用流體邊界層平均溫度作為定性溫度。由于實驗流體為空氣，故準則式可化為，（5.6）本實驗的任務在于確定c與n的數值，首先使空氣流速一定，然后測定有關的數據：電流I、電壓U、管壁溫度tw、空氣溫度tf、微壓計動壓頭H。表面傳

19、熱系數h和流速u無法在實驗中直接測得，可通過計算求得，物性參數可在有關書中查得。得到一組數據后，可得一組、，改變空氣流速，又得到一組數據及其、，多次改變空氣流速，得到一系列實驗數據。四、實驗步驟1將畢托管與微壓計連接好、校正零點；連接熱電偶與電位差計，再將加熱器、電流表、電壓表以及調壓變壓器線路連接好，指導教師檢查確認無誤后，準備啟動風機。2關閉風機出口擋板的條件下啟動風機，讓風機空載啟動，然后根據需要開啟出口擋板，調節風量。3調壓變壓器指針位于零位時，合電閘加熱實驗管，根據需要調整變壓器，使其在某一熱負荷下加熱，并保持不變，使壁溫達到穩定后（壁溫熱電偶電勢在3min內保持讀數不變，即可認為已

20、達到穩定狀態），開始記錄熱電勢、電流、電壓、空氣進出口溫度及微壓計的讀數，電壓不得超過180V。4在一定熱負荷下，通過調整風量來改變的大小，因此保持調壓變壓器的輸出電壓不變，依次調節風機出口擋板，在各個不同的開度下測得其動壓頭，空氣進、出口溫度以及電位差計的讀數，即為不同風速下，同一熱負荷時的實驗數據。5不同熱負荷條件下的實驗，僅需利用調壓變壓器改變電加熱器的加熱量，重復上述實驗步驟即可。6實驗完畢后，先切斷實驗管加熱電源，待實驗管冷卻后再關閉風機。五、實驗數據記錄及處理1 壁面平均表面傳熱系數h電加熱器產生的總熱量，除去以對流方式由管壁傳給空氣的熱量外，還有一部分是以輻射方式傳出去的，因此，

21、對流放熱量為，（5.7）（5.8）式中：為輻射換熱量，W；為試管表面黑度，；為絕對黑體輻射系數，；為管壁面的平均絕對溫度，K；為實驗管前流體的絕對溫度，K；A為管表面積，m2。根據牛頓冷卻公式，壁面平均表面傳熱系數（）為，（5.9）2 空氣流速采用畢托管在測速段截面中心點測量，由于實驗風洞測速段分布均勻，因此不必進行截面速度不均勻的修正。若采用傾斜式微壓計測得的動壓頭為H，則由能量方程式，（5.10）而（5.11）（5.12）式中：為測速截面處的流速，m/s；為微壓計內液體的密度；為空氣的密度，kg/m3，根據空氣的平均溫度查表得到；H為動壓頭，用液柱高度表示。由上式計算得到的流速是測速截面處

22、的流速，而準則式中的流速u指流體流過實驗管最窄截面的流速。由連續性方程，（5.13）（5.14）式中：為實驗管截面處的流速，m/s；為測速截面面積，m2，；為放實驗管處截面面積，m2，；L為實驗管有效管長，m，；d為實驗管外徑，m，；n為實驗管數，n=1。3 確定準則方程式將數據代入準則方程式計算準則數，可在以為縱坐標，以為橫坐標的常用對數坐標圖上得到一些實驗點，然后用直線連起來，因為，（5.15）為直線的截距，n為直線的斜率，取直線上的兩點，（5.16）（5.17）即可得到準則方程式，（5.18）4 記錄實驗數據并計算實驗管有效管長實驗管外徑放實驗管處截面面積測速截面面積表5.1 實驗數據記

23、錄表實驗次數管壁測點熱電勢/mV加熱電壓/V加熱電流/A管前氣流溫度/管后氣流溫度/動壓頭/mmH2OV1V2V3V412345678附表5.1 銅康銅熱電偶溫度毫伏對照表mVmVmVmVmVmVmVmVmVmV溫度012345678900.0000.0390.0780.1100.1550.1940.2340.2730.3120.325100.3910.4310.4710.5100.5500.5900.6300.6710.7110.751200.7920.8320.8930.9140.9450.9951.0361.0771.1181.159301.2011.2421.2841.3251.367

24、1.4081.4501.4921.5341.576401.6181.6611.7031.7451.7881.8301.8731.9161.9582.001502.0442.0842.1302.1742.2172.2602.3042.3472.3912.435602.4782.5222.5662.8102.6542.6982.7432.7872.8312.867702.9202.9653.0103.0543.0993.1443.1893.2343.2793.325803.3703.4153.4593.5063.5523.5973.6433.6893.7353.781903.8273.8733.9

25、193.9654.0124.0584.1054.1514.1984.2241004.2814.3384.3854.4324.4794.5264.5734.6214.6684.7151104.7634.8104.8584.9064.9535.0075.0495.0995.1465.1931205.2415.2895.3385.3865.4345.4835.5315.5805.6295.6771305.7265.7755.8245.8735.9225.9716.0206.0706.1196.7681406.2186.2676.3176.3676.4166.4666.5166.5666.6166.6661506.7166.7666.8166.8676.9176.9677.0187.0667.1167.1696. 熱管換熱器實驗一、 實驗目的：1、 了解熱管換熱器試驗臺的工作原理2、 熟悉熱管換熱器試驗臺的使用方法3、 掌握熱管換熱器換熱量Q和傳熱系數K的測試和計算方