稳态平板法测定绝热材料导热系数

实验

一. 实验目的

   1.巩固和深化稳定导热过程的基本理论，学习用平板法测定绝热材料导热系数的实验方法和技能。

   2.测定试验材料的导热系数。

   3.确定试验材料导热系数与温度的关系。

二.实验原理

   导热系数是表征材料导热能力的物理量。对于不同的材料，导热系数是不同的；对同一材料，导热系数还会随着温度、压力、湿度、物质的结构和重度等因素而变异。各种材料的导热系数都用试验方法来测定，如果要分别考虑因素的影响，就需要针对各种因素加以试验，往往不能只在一种试验设备上进行。稳态平板法是一种应用一维稳态导热过程的基本原理来测定材料导热系数的方法，可以用来进行导热系数的测定试验，测定材料的导热系数及其和温度的关系。

   试验设备是根据在一维稳态情况下通过平板的导热量Q和平板两面的温差 成正比，和平板的厚度δ成正比，以及和导热系数λ成正比的关系来设计的。

   我们知道，通过薄壁平板（壁厚小于十分之一壁长和壁宽）的稳定导热

量为                      [w]

  

   测定时，如果将平板两面的温差、平板厚度、垂直热流方向的导热面积F和通过平板的热流量Q测定以后，就可以根据下式得出导热系数：

   

需要指出，上式所得的导热系数是在当时的平均温度下材料的导热系数值，此平均温度为：

     

在不用的温度和温差条件下测出相应的值，然后将值标在 坐标图内，就可以得出 的关系曲线。

三.实验装置及测量仪表

稳态平板法测定绝热材料导热系数的试试验装置如图1和图2所示。

被试验材料做成二块方形薄壁平板试件，面积为300×300，实际导热计算面积F为200×200，板的厚度为，平板试件分别被夹紧在加热器的上下热面和上下水套的冷面之间。加热器的上下面和水套与试件的接触面都设有铜板，以使温度均匀。利用薄膜式加热片实现对上、下试件热面的加热，而上下导热面积水套的冷却面是通过循环冷却水（或通过自来水）来实现的。在中间200×200部位上安设的加热器为主加热器。为了使主加热器的热量能够全部单向通过上下两个试件，并通过水套的冷水带走，在主加热器四周（即200×200之外的四侧）设有四个辅助加热器（1~4），利用专用的温度跟踪控制器使主加热器以外的四周保持与中间主加热器的温度一致，以免热流量向旁侧散失。主加热器的中心温度t₁(或t₂)和水套冷面的中心温度t₃(或t₄)用四个热电偶（埋设在铜板上）来测量：辅助加热器1和辅助加热器2的热面也分别设置两个辅助电偶t₅和t₆（埋设在铜板的相应位置上），其中一个辅助电偶t₅(或t₆)接到温度跟踪控制器上，与主加热器中心接来的主热电偶t₂（或t₁）的温度讯号相比较，通过跟踪器使全部辅助加热器都跟踪到与主加热器的温度相一致。而在试验进行时，可以通过热电偶t₁(或t₂)和热电偶t₃(或t₄)测量出一个试件的两个表面的中心温度。也可以再测量一个辅助电偶的温度，以便与主热电偶的温度相比较，从而了解主、辅加热器的控制和跟踪情况。温度是利用电位差计和转换开关来测量的，主加热器的电功率可以用电功率表或电压表和电流表来测量。

图2   试验台的电路联结图

（用电位差计测温未示出）

[附]试验台主要参数

   1.试验材料：

2.试件外型尺寸：300×300

3.导热计算面积F：200×200（即主加热器的面积）

4.试件厚度δ：（实测）    

5.主加热器电阻值：    Ω

6.辅加热器（每个）电阻值：     Ω

7.热电偶材料：镍铬—鏮铜

8.试件最高加热温度：≤80

四.实验方法和步骤

   1.将两个平板试件仔细地安装在加热器的上下面，试件表面应与铜板严密接触，不应有空隙存在。在试件、加热器和水套等安装入位后，应在上面加压一定的重物，以使它们都能紧密接触。

   2.联接和仔细检查各接线电路。将主加热器的两个接线端用导线接至主加热器电源：而两个辅助加热器经两两并联后再串联成串联电路（实验台上已联接好），并按图2所示联接到辅助加热器上。电压表和电流表（或电功率表）应按要求接入电路。将主热电偶之一t₂（或t₁）接到跟踪控制器面板上左侧的主热电偶接线柱上，而将辅助热电偶之一t₅(或t₆)接到跟踪控制器上的相应接线柱上。把主热电偶t₁(或t₂)、水套冷面热电偶t₃(或t₄)和辅助热电偶t₅(或t₆)都接到热电偶转换开关上，转换开关与电位差计的“未知”相接。

   3.检查冷却水水泵及其通路能否正常工作，各热电偶是否正常完好，教正电位差计的零位。

   4.接通加热器电源，并调节到合适的电压，开始加温，同时开启温度跟踪控制器。在加温过程中，可通过各测温点的测量来控制和了解加热情况。开始时，可先不启动冷水泵，待试件的热面温度达到一定水平后，再启动水泵（或接通自来水），向上下水套通入冷却水。试验经过一段时间后，试件的热面温度和冷面温度开始趋于稳定。在这个过程中可以适当调节主加热器电源、辅助加热器电源的电压，使其更快或更利于达到稳定状态。待温度基本稳定后，就可以每隔一段时间进行一次电功率W（或电压V和电流I）读数记录和温度测量，从而得到稳定的测试结果。

   5.一个工况试验后，可以将设备调到另一工况，既调节主加热器功率后，再按上述方法进行测试得到另仪共况的稳定测试结果。调节的电功率不宜过大，一般在5~10W为宜。

   6.根据实验眼球，进行多次共况的测试。（共况以从低温到高温为宜）。

   7.测试结束后，先切断加热器电源，并关闭跟踪器，经过10分钟左右再关闭水泵（或停放自来水）。

五.实验结果处理

   实验数据取实验进入稳定状态后的连续三次稳定结果的平均值。导热量（即主加热器的电功率）：

Q=W（或I·V）         [W]

W—主加热器的电功率值  [W]

I—主加热器的电流值     [A]

V—主加热器的电压值     [V]

   由于设备为双试件型，导热量向上下两个试件（试件1和试件2）传导，所以

             [W]

   试件两面的温差：

                          

   t_R—试件的热面温度（即t₁或t₂）    

   t_L—试件的冷面温度（即t₁或t₂）    

   平均温度为

               

   平均温度为时的导热系数：

            []

   将不同平均温度下测定的材料导热系数在坐标中得出的关系曲线，并求出的关系式。

温度跟踪器使用说明

一.安全警示

   本仪器应按使用说明，由于温度跟踪内有高压电路（电源为220v）,因而不能随意开箱，以免造成事故或电路故障。

   二.使用方法

   1.将稳态导热仪主体上的一个主热电偶和一个辅热电偶的引出端分别联接到跟踪器前面板上的相应接插座上。热电偶的“+”端接红色插座，“—”端接黑色插座，不要接错。

   2.将主加热器联接到主加热电源（主调压器）电路中，再接入一个测量热功率的电功率表（或电压和电流表）。

   3.将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4个辅加热器和辅加热电源(辅调压器)电路中(参见电路联接图)。

   4.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（根据加热要求，可在30~60v之间选用）：辅助加热电源（调压器）的电压始终调到约2倍于主加热电源电压的值上。用50v以上的电压加热时，必须注意升温情况，以免过热而造成式样和设备损坏。

   5.检验无误后，接通主加热器和辅助加热器电源，并将温度跟踪器的电源接上，打开开关，即可加热和进行自动温度跟踪。同时，开动水泵，向上下水套通入循环冷水。

试验台电路联接图

（用电位差计测温未示出）

   6.系统运行约一小时后，即可开始对试件的热面温度t_R、冷面温度t_L进行测试和记录。以后，每隔一段时间（例如30分钟）进行一次温度测试和记录，直到得到稳定的测试结果为止。最后，再进行一次电功率的测定。

   7.如果比较长时间的测试过程中，发现热面温度升温过快（过慢）或过高（过低），切冷面温度也不易稳定时，可适当减低（提高）主加热电源的电压，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。

   三.故障诊断

   跟踪器在正常工作时，其绿色小指示灯将时亮时灭，表示辅加热器时接时断，正常进行温度跟踪。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辅加热电源加压不够高③电路联接有问题，可停机后进行检查更正。

稳态平板法测定绝热材料导热系数实验

实验报告（例题）

一.试验装置电路联接图

试验台电路联接图

（用电位差计测温表示出）

二.试验记录

  试验材料：聚氯乙烯

  事件外型尺寸：300×300mm

  事件导热面积：200×200mm(即主加热器面积)

  事件厚度δ：15mm

  主加热器电阻值：100Ω

  辅加热器电阻值：4×25Ω

  热电偶材料：镍铬-鏮铜

  [注]t,t为热电偶用电位差计测出的毫伏数换算出的读数温度，实际温度=读数温度+环境温度

实验记录表  

三.实验结果处理

取实验记录中最后四点稳定的 和 值，计算出它们的平均值：

冷，热面的温差

附录  镍铬-铜镍（鏮铜）热电偶（E型）温度-微伏对照表

第二篇：稳态平板法测量导热系数的若干影响因素分析