传热学传热学实验之二实验之二22实验四、稳态平板法测保温绝热材料的热导率实验四、稳态平板法测保温绝热材料的热导率 一、一、 实验目的实验目的1 1、 巩固和深化稳态导热过程的基本理论，学习用平板法测绝热材料热导率的实验方法巩固和深化稳态导热过程的基本理论，学习用平板法测绝热材料热导率的实验方法 和技能和技能2 2、 测定实验材料的热导率测定实验材料的热导率3 3、 确定试验材料热导率与温度的变化关系确定试验材料热导率与温度的变化关系二、二、 实验原理实验原理热导率是表征材料导热能力的物理量。对不同的材料，热导率各不相同；对同种材料， 热导率会随温度、压力、含湿量、物质的结构和密度等因素而不同。各种材料的热导率都 是采用实验方法来测定的，如果分别考虑不同因素的影响，就需要对各种因素加以试验， 往往不能只在一种试验设备上进行。稳态平板法是应用一维稳态导热过程的基本原理来测 定材料热导率的方法，可以用来测定材料的热导率及其与温度的变化关系实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 t 成正比， 与平板的厚度成反比 ，与热导率 成正比的关系来设计的由一维稳态理论，通过薄壁平板（壁厚小于十分之一壁长与壁宽）的稳态导热量为wtAQ测试时，如果能够测得平板两面的温差 t=tR-tL、平板厚度 、垂直热流方向的导热 面积 A 和通过平板的热流量 Q，即可根据下式计算得出热导率 ：W/m.AtQ上式计算得出的热导率是当时平均温度下材料的热导率值，此平均温度为 )tt (21tLR在不同的温度和温差条件下测出相应的热导率 ，将 值标在 坐标图内，就可t得出 =f( )的关系曲线t三、三、 实验装置及测量仪表实验装置及测量仪表稳态平板法测绝热材料热导率的实验装置如图 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 300x300mm2,实际导热计算面积 A 为 200x200mm2,板的厚度为 mm。平板试件被夹紧在加热器的上下热面和上下水套的冷传热学传热学实验之二实验之二23面t4t3t2t1t5t6试件1试件2辅助加热器主加热器上水套下水套铜板冷却水进出口冷却水进出口下水套热电偶t3上水套热电偶t4冷却水进 出口(上）主热电偶（上）t3冷却水进 出口(下）辅加热器4主加热器辅热电偶t5辅加热器1辅热电偶t6辅加热器2 主热电偶（下）t1辅加热器3图图 1 1 实验台主体示意图实验台主体示意图传热学传热学实验之二实验之二24（循环冷却水的水箱与水泵未示出）（循环冷却水的水箱与水泵未示出）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，上下导热面积水套的冷却面是通过循环冷却水（或通 以自来水）来实现。中间 200X200mm2部位上安设的加热器为主加热器。为使主加热器的 热量能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 200X200mm2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，以免热量向旁侧散失。主加热器的中 心温度 t1(或 t2)和水套冷面中心温度 t3（或 t4)用四个热电偶（埋设在铜板上）来测量； 辅助加热器 1 和辅加热器 2 的热面也分别设置两个辅热电偶 t5和 t6（埋设在铜板的相应位 置上） ，其中一个辅热电偶 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的温度信号比较，通过温度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。而在实验进行时，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热电偶的温度，以便于主热电偶的温度相 比较，从而了解主、辅加热器的控制与跟踪情况。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。图图2 试验台的电路联图（用电位差计测温未示出）试验台的电路联图（用电位差计测温未示出） 附实验台主要参数附实验台主要参数1 试验材料：2 .试件外型尺寸：300x3002mm3 导热计算面积 A：200x200 （即主加热器的面积）2mm4 试件厚度： （实测） 5 主加热器电阻值： 6 辅加热器（每个）电阻值： 7 热电偶材料：镍铬一镍硅 8 试件最高加热温度： 80传热学传热学实验之二实验之二25四、四、 实验方法和步骤实验方法和步骤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； 而四个辅助加热器经两两并联后再串联成串联电路（实验台上己联接好），并按 图2所示联接到辅加热器电源上和跟踪控制器上。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 （或）接到跟踪控制器面板上左侧的1t2t主热电偶接线柱上，而将辅热电偶之一 （或 ）接到跟踪控制器上的相应5t6t接线柱上。把主热电偶（或）、水套冷面热电偶（或 ）和辅热电偶 1t2t3t4t5t（或 ）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。6t3、 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，校正电位差计 的零位。 4、 接通加热器电源，并调节到合在的电压，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）， 向上下水套通人冷却水。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。在这过程中可以适当调节上加热器电源、辅加热器电源的电压，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1）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，即调节主加热器功率后，再按上述 方法进行测试，得到另一工况的稳定测试结果。调节的电功率不宜过大，一般在 510w为宜。 6、 根据实验要求，进行多次工况的测试。（工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分钟左右后再关闭水泵 （或停放自来水）。五、五、 实验结果处理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IV) W W一主加热器的电功率值 W I一主加热器的电流值 A V一主加热器的电压值 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)VI21(W21Q21QQ21或试件两面的温差： RLttt 一试件的热面温度（即或） Rt1t2t传热学传热学实验之二实验之二26一试件的冷面温度（即或） Lt3t4t平均温度为1()2tttRL平均温度为 t 时的 热导率 ：将不同平均温度下测定的材料热导率在 坐标中得出 的关系曲线，并求出 =f( ) ttt的关系式。六、六、 实验测试与实验报告举例实验测试与实验报告举例1 1、 实验装置电路连接图实验装置电路连接图实验台电路连接图（用电位差计测温未示出）实验台电路连接图（用电位差计测温未示出）2 2、实验记录实验记录试 验 材 料 ：聚氯乙烯 试件外型尺寸 ：300 X 300mm2 试件导热面积 ：200X200 mm2（即主加热器面积）试件厚度 ：15mm 主加热器电阻值：100 辅加热器电阻值：4 X 25 热 电 偶 材料 ：镍铬镍硅注 tR,tL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+传热学传热学实验之二实验之二27环境温度实验记录表实验记录表测读时间时 分试件中心位置热面温度tR（）试件中心位置冷面温度TL（）RLttt （）Q(W)备注10：0016.25-2.3810：3021.50-1.5011：0027.60-0.7511：3029.950.0012：0033.001.2512：3034.752.3513：0035.332.9713：3033.802.9514：0031.523.3314：3032.703.9715：0031.974.2215：3032.254.7316：0032.574.9316：3033.102.1016试验最后室温：22冷却水温：273 3、 实验结果处理实验结果处理取实验记录中最后四点稳定的IR和人值，计算出它们的平均值：47.32410.3357.3225.3297.31tR74. 4410. 593. 437. 422. 4tL冷热面温差 73.2774. 447.32t-ttLRW/m11. 004. 0015. 073.27216 At2W