颗粒状材料导热系数测定

颗粒状材料导热系数测定一、实验目的（1）学习用球体法测颗粒状材料（如膨胀珍珠岩、干黄沙等）的导热系数，并确定颗粒状材料的导热系数和温度之间的近似关系)1(0bt。（2）利用牛顿冷却公式计算球体外表面和空气之间的对流换热系数h。二、实验原理球体法测材料的导热系数是基于等厚度球壁的一维稳态导热过程。如图1所示内外径分别为1D和2D（半径为1r和2r）的同心单层球壁。设球壁的内外表面分别维持均匀恒定的温度1wt、2wt，且21wwtt。将傅里叶导热定律应用于此球壁的导热过程，得drdtrdrdtA24边界条件：2211,,wwttrrttrr；。由于在不太大的温度范围内，大多数工程材料的导热系数随温度的变化可按直线关系处理，带入边界条件对上式积分可得通过整个球壁的热流量)(2211221wwmttDDDD（W）或写成)(2212112wwmttDDDD）（）（K/Wm图1单层球壁的导热式中：m即所测材料在21~wwtt温度范围内的平均热导系数，即平均温度)2(21wwmmtttt所对应的导热系数。因此，实验时应先测出内外球壁的温度1wt和2wt、球壁导热量（由球内加热器产生，等于加热器功率），以及球壁的几何尺寸1D和2D，然后代入上式得出mt时材料的导热系数m。把相关实验数据代入下式，可求得球壳外表面和空气之间的对流换热系数h，即)(222fttDtAh）（K/W2m三、实验装置及其规范圆球导热仪本体结构和测量系统1.内球壳2.外球壳3.电加热器4.测量端5.转换开关6.0℃冰瓶7.电位差计8.电源9.电压表10.电流表规范：（1）不许擅自调整调压器，不许转换电流表的量程档，更不许随意关断电源。（2）如果用万用表代替电压表测量电压，选用万用表的直流电压档。（3）电位差计接入测量回路时，切记正负极不能接反。（4）热电偶温度计的参考端裸露在室温下。（5）实验过程中，不许任意挪动仪器。（6）球体在实验期间必须远离热源，室温应尽量保持不变，避免日光直射球壳，应防止人员走动、风等对球壳表面空气自由流动的干扰，以便使外球壳的自然对流状态稳定，这样才能在试料内建立一维稳态温度场。四、实验步骤（1）连接好除电位计以外的其他仪器，检查调压器输出电压是否在零位。（2）连通电源，调整调压器，使各实验台的球体加热电流不同，最大电流不超过0.25A，其余依次递减。预热越4h以上，至内外球壁温度稳定。（3）把电位差计接入测量回路，注意其正负极，并对电位差计进行调零。（4）读出电流、电压，并通过切换开关，从电位差计读出内外球壁各测点热电动势1E和2E（单位mV），计入数据记录表中。（5）用水银温度计测定远离球体1m处的空气温度ft（等于室温at）。（6）测试完毕，把万用表关闭放回原处，电位差计的倍率开关关断。（7）全部实验结束后，经指导老师同意，把调压器调至零位，关断实验台上电源开关。五、实验数据记录与处理（1）常规数据记录室温0t22.5℃，1D80mm，2D160mm（2）实验数据记录及计算导热实验数据记录U（V）I（A）（W）内球壳1E（mV）内球壳1wt（℃）外球壳2E（mV）外球壳2wt（℃）11E12E13E平均21E22E23E平均160.11.62.122.122.112.1276.51.191.201.191.2055.5℃6625.555.76221wwmttt）（）（）（）（K/W0758.05.55-5.7616.008.0208.0-16.06.1)(2212112mttDDDDwwm）（）（K/W6029.05.225.5516.06.1)(22222mttDtAhf六、问题讨论（1）球体导热仪从开始加热到热稳定状态所需要的时间取决于哪些因素？（2）怎样判断、检验球体导热过程已达到稳定状态？（3）粒状材料的导热系数与温度有何关系？与密度、湿度又有怎样的关系？答：（1）取决于球体加热电流，球壁热电动势，室温（室内空气流动状况）以及球体内部填充材料。（2）检验球体达到稳态的标志是各对热电偶的电位差计读数不再随时间变化。（3）温度对各类材料的导热系数均有直接影响，温度提高，材料导热系数上升。绝大多数的材料都具有多孔结构，容易吸湿，材料吸湿受潮后，其导热系数增大。密度是材料气孔率的直接反应，一般情况下，增大气孔率或减少密度都将导致导热系数的下降，但对于表现密度很小的材料，特别是纤维状材料，当其表观密度低于某一极限值时，导热系数反而会增大。