稳态双平板法测定非金属材料的导热系数

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1、第二节稳态双平板法测定非金属材料的导热系数一、实验内容以无限大平板的导热规律为基础，利用NKⅢ-200型双试件导热率测定装置、双路直流稳压电源、恒温水浴和测试系统用稳态双平板法测定非金属材料的平板两侧的大致的温度值，结合傅里叶定律，导出平均温度下的平均导热系数λm，确立导热系数和温度之间的关系。二、实验原理双平板法是以无限大平板的导热规律为基础的。设有一块厚度为δ，导热系数为λ=A+Bt的无限大平板，一侧以恒定流密度q（W/㎡）加热，平板两表面的温度分别保持恒等于t1和t2。如图1所示。根据付立叶定律，描写板内温度场的导热微分方程式为(1)相应的边界条件为：x=0处,t=t1x=δ处,t=t2

2、(2)积分（1）式并代入（2）式的边界条件，则得（3）令（4）即在平均温度tm=(t1+t2)/2的条件下，板材的导热系数等于在t1和t2间材料的平均导热系数λm。图1平板导热原理图(4)式则写为(5)如果是为了确定板材的导热系数，则需在热稳定时，测出加热（或冷却）平板一侧的恒热流密度q（W/m2）和温度t1、t2，依据(5)式便可得板材的平均导热系数：(6)三、实验设备如图2所示，它包括NKⅢ-200型双试件导热率测定装置、双路直流稳压电源、恒温水浴和测试系统。NKⅢ-200型双试件导热率测定装置为对称的双平板结构，它的中央为圆形主加热器，其周围为环形辅助加热器，它们均为薄片型加热器，由电阻

3、带均匀绕成。二者共平面，其之间有一小的环形隔缝。在主、辅加热器上，各放置由导热系数较大的黄铜做的圆形均热板。主、辅均热板也是同厚度共平面，二者之间有1㎜的环形隔缝。实验时将两块直径均等于环形辅助加热器均热板外径相等厚度的同种试件分别置于两侧的均热板上。并在每块试材的另一面各安置一个圆盘形冷却器，最后从两个方向用力将它们压紧以减少各交界面上的接触热阻。一台超级恒温水浴向两个冷却器并联供给恒温水。冷却器内有盘香形小槽，恒温水沿槽盘旋流动，以便保持两块试材的冷却面具有相同的温度。双路直流稳压器分别对主、辅加热器单独供电。实验时，可以调节辅助加热器的功率，来匹配已设定好的主加热器的功率，使得在热稳定时

4、，主、辅均热板间的隔缝在径向上无温差，这意味着它们之间无热量传递，主均热板表面是等温面，以一半主加热器功率对其试件的中央部分供应一维导热流。这样，达到了实验原理的要求。必须特别指出，试件的厚度不宜过大。否则，由于试件侧向散热及其径向温度梯度引起的径向导热，使得主均热板和冷却器间的试件内各等温面不再是互相平行的平面了，不能满足一维导热实验原理的要求。为了计算试件的导热系数，在主、辅均热板的表面和冷却器的冷却表面共埋设8对镍铬—康铜（E型）热电偶，其布置如图2所示。通过多点切换开关由数字电压表测量各热电偶输出的热电势，查表以确定各点温度。四、实验步骤1.预习实验报告，弄懂实验原理，了解实验装置的结

5、构和实验方法。2、在实验装置已经设置并调节好的基础上，接通直流稳压器电源，启动恒温水浴。在冰瓶内制作好冰水混合物，热电偶冷端置于冰瓶内。按预先拟定的方案，调节主、辅加热器的功率，直至达实验要求。3、热稳定后，每隔20分钟采集一次数据，共采集三次。需采集的数据有各对热电偶输出的热电势、主加热器的电流和电压，将数据填入预先画好的记录表中，取三次的平均值作为计算值。4、测量数据经指导教师审核后，切断电源，结束实验，整理现场。五、基本参数及有关计算本实验所用试材为有机玻璃，质量M=550.0g,厚度δ=15.00㎜,直径D=200.00㎜，主均热板直径D1=99.00㎜,辅助均热板内径D2=101.0

6、0㎜外径D=200.00㎜，如图3所示。建议取De=(D1+D2)/2作为计算试件一维导热面积的直径。为了避免主加热器的电源导线通过辅热加热器而受热，先将主加热器电阻带的两端穿过辅助加热器后再与电源线连接。这样，主加热器实际传给试件的热量要小于所测的主加热器输入电功率，根据主加热器电阻带中有多长未穿过辅助加热器，每台实验本体的侧面都标有一个小于1的功率修正系数K。前已述及,本实验装置采取双平板的对称结构,使两块试件内的温度场相同,即t5=t6，t7=t8，同时，调节辅助加热器功率使得t1=t2,t3=t4，以满足主加热器上试件的一维导热条件。但是，由于加工工艺、装配质量和功率调节方法等方面的原

7、因，实际中往往得不到上述的理想温度场。而是当t5≈t6，t7≈t8，t1≈t2，t3≈t4时即认为近似符合实验原理的条件，当然其近似程度取决于实验结果所需精度。综上所述,计算试件在平均温度tm=(t5+t6+t7+t8)/4下的平均导热系数时,应用下式进行计算（9）式中（10）为一维稳态导热的计算面积。六、实验数据记录与处理功率修正系数：k=0.96各对热电偶的热电势、主加热器的电流电压值时间E1