非穩(wěn)態(tài)(準(zhǔn)穩(wěn)態(tài))法測材料的導(dǎo)熱性能實(shí)驗(yàn)

1、非穩(wěn)態(tài)（準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)）法測材料的導(dǎo)熱性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、本實(shí)驗(yàn)屬于創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生自己選擇不同原料、按照不同配比進(jìn)行加工出新型實(shí)驗(yàn)材料，并對該材料的熱物性（密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、導(dǎo)溫系數(shù)）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量。2快速測量絕熱材料（不良導(dǎo)體）的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱，掌握其測試原理和方法。3、掌握使用熱電偶測量溫差的方法。二、實(shí)驗(yàn)測試原理本實(shí)驗(yàn)是根據(jù)第二類邊界條件，無限大平板的導(dǎo)熱問題來設(shè)計(jì)的。設(shè)平板厚度為 2，初始溫度為 t 0，平板兩面受恒定的熱流密度qc 均勻加熱（如下圖所示）。根據(jù)導(dǎo)熱微分方程式、初始條件和第二類邊界條件，對于任一瞬間沿平板厚度方向的溫度分布 t(x ， ) 可由下面方程組解得；t

2、( x,)a2t ( x, )x2t (x,0)t0t ( ,)qc0xt (0,)0x方程組的解為：qc23x2( 1)n 1 2x2Fo )(1)t( x, ) t 02 cos( n) exp(n6n 1n式中：時間；平板的導(dǎo)熱系數(shù)；平板的導(dǎo)溫系數(shù)； t 0初始溫度；F傅立葉準(zhǔn)則；2n n ， n=1， 2，3 ；qc沿 X 方向從端面向平板加熱的恒定熱流密度。隨著時間的延長， F0 數(shù)變大，式（ 1）中級數(shù)和項(xiàng)愈小。當(dāng)數(shù)和項(xiàng)變得很小，可以忽略，式（ 1）變成t ( x, ) t oqc( 2x221 )26F00.5 時，級（ 2）由此可見，當(dāng) F00.5 后，平板各處溫度和時間成線性

3、關(guān)系，溫度隨時間變化的速率是常數(shù)，并且到處相同。這種狀態(tài)即為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時，平板中心面X=0處的溫度為：t (0, ) toqc ( a21)6平板加熱面 X=處為：a1qc(t ( , ) to2)3此兩面的溫差為：t t ( , )1qc（3）t (0, )2已知 qc 和，再測出 t ，就可以由式（ 3）求出導(dǎo)熱系數(shù)：qc（4）2 t實(shí)際上，無限大平板是無法實(shí)現(xiàn)的，實(shí)驗(yàn)總是用有限尺寸的試件，一般可認(rèn)為，試件的橫向尺寸為厚度的6 倍以上時，兩側(cè)散熱對試件中心的溫度影響可以忽略不計(jì)。試件兩端面中心處的溫差就等于無限大平板時兩端正的溫差。根據(jù)熱平衡原理，在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時，有：qc F cdtFd

4、dt式中： F試件的橫截面積； c試件的比熱； 試件密度；d準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時溫升速率。qc則比熱為： cdt / d（5）實(shí)驗(yàn)時， dt/d 以試件中心處為準(zhǔn)。按定義，材料的導(dǎo)溫系數(shù)可表示為tm2t2 /sa( ) c2() ccqct綜上所述，應(yīng)用恒熱流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平板法測試材料熱物性時，在一個實(shí)驗(yàn)上可同時測出材料的三個重要熱物性 - 導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和導(dǎo)溫系數(shù)。三、實(shí)驗(yàn)裝置簡介實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括破碎機(jī)、攪拌機(jī)、烘干機(jī)、電子天平、 SEI-3 型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測定儀、計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)控制軟件。 SEI-3 型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測定儀、計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)控制軟件如圖 1 所示。圖 1實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)圖SEI-3 型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測

5、定儀內(nèi)實(shí)驗(yàn)本體由四塊厚度均為、 面積均為 F 的被測試材重疊在一起組成。 在第一塊與第二塊試材之間夾著一個薄型的片狀電加熱器；在第三塊和第四塊試材之間也夾著一個相同的電加熱器； 在第二塊與第三塊試材交界面中心和一個電加熱器中心各安置一對熱電偶； 這四塊重疊在一起試材的頂面和底面各加上一塊具有良好保溫特性的絕熱層。 然后用機(jī)械的方法把它們均勻地壓緊。 電加熱器由直流穩(wěn)壓電源供電， 加熱功率由計(jì)算機(jī)檢測。 兩對熱電偶所測量到的溫度由計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集處理， 并繪出試材中心面和加熱面的溫度變化曲線。四、實(shí)驗(yàn)步驟1 選用不同原料，進(jìn)行破碎加工，按照不同配比，攪拌混合均勻，加工成 100mm×10

6、0mm，厚 20mm大小的材料，放在烘干機(jī)內(nèi)烘干。2 用游標(biāo)卡尺對試材的厚度進(jìn)行測量（單位：mm），并用天平稱其稱重 （單位： g）。3 將試材按實(shí)驗(yàn)要求裝入SEI-3 型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測定儀實(shí)驗(yàn)本體內(nèi)。（注：用手拿取試材時4 一定要拿試材的邊緣，不要用手接觸試材的加熱面，以免破壞試材的初始溫度場。）5 接通計(jì)算機(jī)和SEI-3 型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測定儀電源。使計(jì)算機(jī)進(jìn)入windows 操作系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)桌面上雙擊上SEI-3 圖標(biāo)，使計(jì)算機(jī)進(jìn)入 SEI-3 型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測定儀的教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)。6仔細(xì)閱讀教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)步驟。 點(diǎn)擊“我認(rèn)真閱讀了實(shí)驗(yàn)步驟”按鈕7 在相應(yīng)的欄目內(nèi)按要求

7、輸入試材名稱、試材厚度、試材重量和預(yù)計(jì)試材導(dǎo)熱系數(shù)（試材厚度和重量為單塊試材的平均厚度和重量） ，輸入完成后，計(jì)算機(jī)在相應(yīng)的欄目內(nèi)給出試材容重和實(shí)驗(yàn)加熱電壓。加熱器預(yù)加電壓分串、并聯(lián)兩種。對應(yīng) SEI-3 型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測定儀的功率選擇為大（并）、?。ù┲?。通常 SEI-3 型準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法熱物性測定儀的功率選擇開關(guān)選擇在?。ù┪恢茫挥挟?dāng)加熱器預(yù)加電壓（串聯(lián)）大于 20 伏特時，再選擇在大（并）的位置。調(diào)節(jié) SEI-3 測定儀的電壓調(diào)節(jié)旋鈕，使加熱電壓在加熱器預(yù)加電壓值附近。將實(shí)驗(yàn)人員的學(xué)號填入“學(xué)號”欄目內(nèi)，點(diǎn)擊加入學(xué)號”按鈕。實(shí)驗(yàn)人員學(xué)號輸入完成后點(diǎn)擊“確認(rèn)小組學(xué)號”按鈕，即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

8、。8 點(diǎn)擊“測量“按鈕并同時打開 SEI-3 測定儀的加熱開關(guān)，觀察加熱表面的溫度變化過程。當(dāng)兩表面的溫差不變時，即溫差曲線走平時，表明不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時的溫度場的特征，可點(diǎn)擊“結(jié)束” 按鈕，并關(guān)閉 SEI-3 測定儀的加熱開關(guān)。9 如果有打印機(jī)，可點(diǎn)擊“打印”按鈕，打印出實(shí)驗(yàn)所有數(shù)據(jù)。沒有打印機(jī)可點(diǎn)擊“保存” 按鈕，保存所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊“復(fù)位”可重新實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊“退出”可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。最后將保存的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)讀出，記錄在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表中。五、試材熱流密度qc 的計(jì)算這里我們雖然用薄片狀電加熱器加熱， 但它畢竟有一定的熱容量， 在加熱過程中，加熱器本身要吸收熱量， 且先于試材。 因此試材實(shí)際所吸收的熱

9、量必需從電功率中扣除電加熱器吸收的熱量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(jì)的散熱給 qc 的計(jì)算帶來困難，所以在兩加熱器外側(cè) 各補(bǔ)上一塊相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(cè)的每塊試 材，每塊試材內(nèi)的溫度場對于電加熱器是對稱的。兩個同樣的電加熱器是并聯(lián)（或串聯(lián)）供電的?；谝陨戏治觯嚥谋砻鎸?shí)驗(yàn)所吸收的熱量應(yīng)為：qcU IC h ( t) h24F2 W/m式中 U 一加熱器的電壓V；I 一加熱器的電流A；2F 一加熱器（即試材）面積，m；2Ch 0.079 J m一加熱器單位面積的比熱容；(t ) h ( t ) w ( t ) c 一加熱器（也是試材加熱面的溫度變化率） .六、實(shí)驗(yàn)要求1預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，弄懂實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法。2細(xì)心裝配試材，電加熱器和熱電偶，避免損壞。3根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出溫度變化曲線，計(jì)算出試材的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和導(dǎo)溫系數(shù)。4 利用最優(yōu)法原理，找出混合材料的最佳配比方案。七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄試材名稱；試材厚度mm；試材重量g；加熱電流A