用球体法测量导热系数实验.doc

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1、天津市高等教育自学考试模具设计与制造专业热工基础与应用综合实验报告（三）用球体法测量导热系数实验主考院校:专业名称：专业代码：学生姓名：准考证号：实验7用球体法测量导热系数实验一、实验目的1．学习用球体法测定粒状材料导热系数的方法。2．了解温度测量过程及温度传感元件。二、实验原理1.导热的定义：导热是指物体内的不同部位因温差而发生的传热，或不同温度的两物体因直接接触而发生的传热.2.温度场:非稳态t=f（x,y,z,）稳态t=f(x,y,z)一维稳态t=f(x)上式中x,y,z为空间坐标，为时间3温度梯度：上图中，等温面法向

2、温度增量与距离的极限比值的极限。即：4.傅里叶定律：傅里叶定律的文字表述：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直于该界面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。其中Q为导热量，单位为W；A为传热面积，单位为m2；T为温度，单位为K；x为在导热面上的坐标，单位为m。5．导热系数：导热系数是表征物质导热能力的物性参数。一般地，不同物质的导热系数相差很大。金属的导热系数在2.3～417.6W/m·℃范围，建筑材料的导热系数在0.16～2.2W/m·℃之间，液体的导热系数波动于0.09

3、3～0.7W/m·℃，气体的导热系数为0.0058～0.58W/m·℃范围内。即使是同一种材料，其导热系数亦随温度、压力、湿度、物质结构和密度等因素而变化为导热系数，w/m.k6.影响的因素：1）温度、密度、湿度及材料的种类的等因素。对流传热过程是流体与壁面间的传热过程，所以凡是与流体流动及壁面有关的因素，也必然影响对流传热系数的数值，实验表明传热系数值与流体流动产生的原因。流体的流动形态、流体的物性、流体有无相变和加热面的几何形状、尺寸、相对位置等因素有关。一般来说对性质相近的流体，强制对流的传热系数大于自然对流的传热系数

4、。湍流流动的对流传热系数大于层流流动的对流传热系数，对于同一种流动形态，流速越大，对流传热系数越大。流体的物性有流体的粘度、导热系数、密度、比热容、体积膨胀系数等。对于有相变的传热，还有相变热的影响，除粘度外，其余的物性，随着其增加，对流传热系数相应增大。对于同一种流体，有相变的传热系数大于无相变的传热系数。传热的形状、大小、相对位置影响传热，如冬天房间采暖，应将加热壁面放置空间的下部，反之，夏天的冷却装置，应放置空间的上部。2)与温度呈线性关系7.一维稳态圆筒壁导热公式的推导稳态导热：柱坐标系：圆筒壁就是圆管的壁面。当管子

5、的壁面相对于管长而言非常小，且管子的内外壁面又保持均匀的温度时，通过管壁的导热就是圆柱坐标系上的一维导热问题。一维、稳态、无内热源、常物性：第一类边界条件：对上述方程积分两次:圆筒壁内部的热流密度和热流分布：热流密度：热流量：8.球体法适用于测定颗粒状(或粉末)材料的导热系数。圆球法测定隔热材料的导热系数是以同心球壁稳定导热规律作为基础的。在球坐标中，考虑到温度仅随半径r而变，故是一维稳定温度场导热如图下图所示。热导率是表征材料导热能力的物理量，其单位为W/(m·K)，对于不同的材料，热导率是不同的。对于同一种材料，热导率还

6、取决于它的化学纯度，物理状态（温度、压力、成分、容积、重量和吸湿性等）和结构情况。各种材料的热导率都是专门实验测定出来的，然后汇成图表，工程计算时，可以直接从图表中查取。球体法就是应用沿球半径方向一维稳态导热的基本原理测定粒状和纤维状材料导热系数的实验方法。设有一空心球体，若内外表面的温度各为t1和t2并维持不变，根据傅立叶导热定律：（1）边界条件（2）1、若λ=常数，则由（1）（2）式求得[W][W/(m·K)](3)2、若λ≠常数，（1）式变为球壳导热过程（4）由（4）式，得将上式右侧分子分母同乘以（t2－t1），得(5

7、)式中项显然就是λ在t1和t2范围内的积分平均值，用表示即，工程计算中，材料的热导率对温度的依变关系一般按线性关系处理，即。因此，。这时，(5)式变为[W/(m·K)]（6）式中，为实验材料在平均温度下的热导率，为稳态时球体壁面的导热量，分别为内外球壁的温度，分别为球壁的内外直径。实验时，应测出和，并测出，然后由（3）或（6）得出。如果需要求得λ和t之间的变化关系，则必须测定不同下的值，由（7）可求的值，得出λ和t之间的关系式。三、实验设备如图7—2所示，实验设备组成包括：球体导热仪本体、实验台手动测试系统、计算机测量系统、

8、数字仪表测量系统。球体导热仪本体是两个球壳同心套装在一起，内球壳外径为d1，外球壳内径为d2，在两球壳之间填充实验粒状材料，热量由装入内球壳中的球`形电加热器加热得到。热量穿过内球壁和被测材料到外球壳，外球壳通过自然空气对流方式进行冷却。每个球壳布置上下两个温度测点，取其平均值作为球壳温度