圆球法测定绝热材料导热系数实验.doc

圆球法测定绝热材料导热系数
（一） 实验目的
1. 巩固稳定导热的基本理论，学习用圆球法测定材料导热系数的实验方法，学会利用标准电阻精密测量电功率的方法以及用热电偶测温的技术；
2. 测量试材的导热系数，以及随温度变化的规律。
（二） 实验原理
图1 圆球法测量导热系数的实验装置
圆球法就是应用沿球壁半径方向一维稳态导热的基本原理测定颗粒状以及纤维状材料导热系数的实验方法。
在两个同心圆球所组成的夹层中，填入颗粒状或纤维状试材，内外球直径分别为d1=80mm，d2=150mm，内球表面温度为t1，外球表面温度为t2，根据傅立叶定律，当实验处于稳态时，通过夹层的导热量为

通过上式可推导出在平均温度下的材料的导热系数

若改变加热量Q，就可以改变壁面温度使其处于另一种状态t1、t2，这样可以测出在各种不同平均温度下试材的导热系数，因此可以得出一条～间的关系曲线。
（三） 实验装置及测量仪表
实验装置如图1所示。圆球内球中电加热器由高精度晶体管直流稳压电源供电。需要测量的量包括以下参数。
3.1 功率W的测量
用直流稳压电源加热，功率用精确度为0.01%标准电阻法测量，标准电阻为R1、R2、R3，连接线路如图1，用电位差计测出V1、V2，当时，

如果选择
那么。
3.2 温度测量
在内外球壁分别埋有镍铬—镍铝热电偶，测出它们的热电势Ut1、Ut2，查热电偶分度表得出相应的温度t1、t2。
上述计算功率时用到的V1、V2（即电流电压）以及热电偶的热电势Ut1、Ut2均采用UJ-33a型电位差计测量，其原理和使用方法见附录。
（四） 实验步骤
1. 将试材烘干；
2. 根据给定的被测材料的容重，算出仪器内所需装填的试材重量，并将试材均匀装入球内；
3. 连接并检查线路系统以及测量仪表。
4. 接通电源，观察各项测量数据的变化情况；
5. 当各项数据基本不随时间变化时，说明系统已达稳定状态，开始测量并记录，每隔5分钟测一次，共测三次；
6. 整理数据，选择一次测量的数据代入公式计算，由于热系统的稳定时间较长，所以在做实验时前四项准备工作，在另一套设备上进行，并利用EX型记录仪观察其升温过程。
（五） 实验报告
1. 实验装置系统简图；
2. 实验过程中测量仪表读数的原始记录（需有指导教师签字）；
3. 实验表格和计算结果；
4. 实验结果的误差分析和讨论。
（六） 实验预习要求
1. 复习教材中有关一维导热方面的原理和公式；
2. 预习实验指导书或者其他教学参考书中关于热电偶测温的基本原理和热电偶的使用方法；
3. 预习实验指导书中有关电位差计的基本原理和使用方法。
实验一、球体法测定导热系数实验
一、实验目的
通过本实验使同学了解用球体法测定材料导热系数的基本原理、方法和设备，熟悉实验设备的使用方法和适用范围，掌握用于本实验被测材料必须具备的条件。
二、实验方法与设备
测定材料的导热系数的方法可分为稳态和非稳态两种。对于测定材料导热系数的稳态法中，通常根据被测材料的物理特性或条件来设计制造导热系数的测量装置。常用的有球体法、平板法、圆柱或圆管法等。而对于测定材料导热系数的非稳态法中，则是根据加热方式，分为正常情况法、线热源法、片面热源法和闪光法等等。本实验采用稳态测量的球体法，并根据设备的组成、实验原理、实验过程、数据的测量和整理，进行介绍。
1、设备的组成
设备的构造如下图所示，，其由同心的内球3、外球2和测量仪表等所组成。内球中装有电加热器4，实验时，只要接通电源，用调压器控制输入功率，便可使内球温度升高且维持在一定温度。内球的固定由支架5固定于外球上。外球顶上有一小盖1，是为了加入被测材料设置的。在内外求的壁面上，装有热电偶，用于测量内外球的表面温度。

1——小盖 2——外球 3——内球 4——电加热器 5——支架
球体法测定材料导热系数实验装置图
2、实验原理和过程
球体法适用于测定颗粒状(或粉末)材料的导热系数。球体导热装置是按通过球壁一维稳定导热原理设计的。其原理是：在两直径不同的同心圆球可组成的空腔内，充满被测试材，使试材形成为一定厚度的环球壳层。实验时，由于内球被加热，因此，其温度大于外球，热量由内向外传递。
由于内外球是完全同心的，被测试材是均质的，且内外两球壁表面温度是均匀的(忽略试材与壁面之间间隙对导热的影响)，因此，通过试材的导热可视为一维导热，其热流量Φ可用下式计算。
(W) (1)
式中：Φ——由内球通过试材导热至外球的热量，W；
λ——试材的导热系数， ；
——分别为内球的外表面温度(试材的内表面温度)和外球的内表面温度(试材的外表面温度)，℃；
——分别为内球的外径和外球的内径，m；
如通过实验得到加入内球的电功率、内外球的温度和直径，则可用下式计算得到被测试材的导热系数λ。
( ) (2)
如现设导热系数与温度有一定的函数关系，即 ，t为 的平均温度，即
，则可按上式(2)算得与试材平均温度对应的导热系数。如不断改变 ，则可得到一组平均温度与导热系数对应的数据，从而可求得 的函数关系式。
3、实验过程、数据的测量和整理
实验时，先调整好测量仪表，如测量温度的电位差计、测量电功率的精密功率表，然后将装好试材的球体导热仪接上电源，使加热器接通电源，缓慢调整调压器(顺时针为增大输入功率，逆时针为减小输入功率)，当测得的内球温度达到设定的温度时，调整停止。观察较长一段时间（1小时以上）后，确认此控制温度在所控温度精度范围，即进入准稳定状态时，就可进行读数，此后每隔10分钟记录一次读数，直至前后三次测量各数据偏差小于1%并且无递增（减）趋势，此次实验工况结束，取最后三次数据平均进行处理。改变加热功率，使内球的外表面温度稳定在另一温度下，重复上述过程，直至所有实验工况测量完成结束为止。
数据整理时，先将每一工况所得的三次数据进行平均，如温度、加热功率等，然后根据已知条件，根据公式(2)计算出每一工况下的导热系数，最后将其回归成导热系数与平均温度的关系式，即 。
三、编写试验报告内容
实验报告是实验全过程的总结，其包括如下内容：
1、实验任务：试材名称、规格、要求测定的工况范围；
2、实验设备：名称、工作原理简述、测量仪表型号与精度、设备简图；
3、实验过程：操作过程和步骤、实验过程发生不正常现象的解决方法；
4、数据整理：原始数据记录表、计算结果、拟合回归公式、导热系数随温度的变化曲线、测量仪表的不确定度计算结果；
5、讨论：实验结果误差分析。