模具设计与制造专业“热工序学基础”
用球体法测量导热系数实验指导书
姓 名： 高金朝 准考证号： 020210100253 完成时间： 2011.09.28
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
球体法就是应用沿球球壁半径方向一维导热的基本原理，测定颗粒纤维材料导热系数的实验方法。 在两个同心的圆球所组成的夹层中， 放入颗粒或纤维状材料,粒状材料的导热系数可通过球体导热仪测定。如图1—1所示。由均质粒状材料填充而成的球壁，内外直径分别为d11及d（半2径r1及r2），它的内外表面温度等于t1和t2，内球直径为 d l = 6 0mm ，外球直径为 d 2 =200mm，并维持不变。由于在不大的温度范围内大多数工程材料的导热系数与温度的关系，均可按直线关系处理，则将傅利叶定律用于此球壁导热问题。如图7—1的边
界条件积分可得到热流量计算式: ???d1d2?m(t1?t2) （1—1） ???? （1—2）
?d1d2(t1?t2)12?m?式中：
δ—球壁厚度δ=(d2?d1)； λm—球壁材料在 tm?t1?t2时的导热系数。 2
图 7—1 球壳导热过程
因此，只要维持内外球壁温度均匀稳定，已知球壁半径d1和d2，测出内外球壁表面温度t1和t2，即可由式（1—2）算出材料的导热系数λm当实验进行到稳态时， 由傅立叶定律，通过夹层的导热量：
从上式可以看出， 只要在实验进行到稳态的情况下， 通过测出内球发出的热量及通过热电偶测出的内、 外球表面的温度， 从而就可以计算出来λ。 实验所
2
用热电偶为分度号 K 镍铬----镍铬热电偶, 其温度电势关系式为： t=0.0505x +24.062x+0.704 ℃， (x 为测温电势值)。从上式还可以看出， 若改变通过材料的热量 ， 则内球球壁面的温度作相应的变化，从而使材料处于另一加热状态，这样
就可以在不同的平均温度下 t=(t 1 +t 2 )/2 测出试材的导热系数，导热系数随温度的变化关系也就不难确定了。 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、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。球体法便于测定各种散状物料（如沙子、矿渣、石灰等）的导热系数。手动测试系统通过实验台操作完成手动测量数据，其中，功率测量由电压表和电流表检测得到，温度测量由电位差计检测得到。计算机测量系统通过计算机运行监测主画面，实时显示实验测量数据，并计算得到导热系数的测量值等。数字仪表测量系统通过数字仪表机柜，直接测量得到球壁温度值和热流功率值。 四、实验方法及实验数据 1. 2. 3. 4. 5. 6.
确认所在实验台上电压表、电流表工作量程及指针读数单位换算。 将试验材料烘干， 并按一定的容量装入球内。 连接并检查线路系统。
调电接点温度计的磁帽至所需的温度值。 学会用电位差计测量热电偶信号操作要领。
估计热球所需的加热功率（热、冷面的温差应大于 10℃ ），并按此范围调节稳压电源后不再变动， 热电偶冷端放入冰筒内（0℃）。
7. 观察系统的变化， 待到达稳态时用电位差计测出内、外球壁面（t 1 ,t 2 ） 的热电势， 并同时记录下加热的电压与电流值。改变加热功率，切换转换开关，重复做6、7;测取不同△T情况下的λ值,记录4个温度测量点数据；读表得到电压、电流数据。将实验数据记录在表7-1中。
～220V铜—康铜热电偶3#调(变)压器转换开关1#加热丝VA4#2#冰点桶电位差计E 图7—2 球体导热仪实验装置原理结构图 实验数据整理
完成表7-1、表7-2的实验数据记录、计算及整理工作。
六、实验报告
1. 结合课堂讲授的理论及实验内容，学生要提供自编的实验报告书。 2. 学生要根据自己所进行的实验独立认真地撰写实验报告。要求字迹工整、数据准确、观察现象的文字描述层次清晰并应结合理论教学中的知识对实验结果给出分析和评价。
七、思考题
1．简述用球体法测量材料的导热系数的优缺点？
2．如果安装内外球壳时略有偏心，导热系数的测定是否会受到影响？为什么 3．试说明悬挂在空中的实验球体，外球壳表面的换热方式？如果球壳表面有空气流 动或有阳光照射，对导热系数的测量有没有影响？为什么？
表7-1 实验测量数据记录
记录人： 同组人： 时间： 实验参数 实验数据 实验台 内球壳温度 外球壳温度 球 试材名称 内上t1－1 内下t1－2 外上t2－1 外下t2－2 壳 mv mv mv mv 温 容 重 ℃ ℃ ℃ ℃ 度 内平均温度t1= 外平均球温度t2= 外球直径 tm=( t1+ t2)/2= 加热 电压U 电流I(A) 功率??Q?U?I (W) 功率 (V) 内球直径 环境温度 导热系λtm = (w/m·℃) 数
表7-2 实验测量数据汇总
台试材 测试实验数据 号 法 导热系数?％* 内外球均温 加热功率 导热系数测量误差 tm λ ? 1粒手动 台 状 测 珍珠手动 2 台 岩 测 3粒手动 台 状 测 蛭石 手动 4 台 测 3粒微机 台 状 测 蛭4仪表 台 石 测 *手动测量与微机和仪表测量的相对误差（以手动测量为基准）
表7-1 实验测量数据记录
记录人： 同组人： 时间： 实验参数 实验数据 实验台 内球壳温度 外球壳温度 球 试材名称 内上t1－1 内下t1－2 外上t2－1 外下t2－2 壳 mv mv mv mv 温 容 重 ℃ ℃ ℃ ℃ 度 内平均温度t1= 外平均球温度t2= 外球直径 tm=( t1+ t2)/2= 加热 电压U 电流I(A) 功率??Q?U?I (W) 功率 (V) 内球直径 环境温度 导热系λtm = (w/m·℃) 数
表7-2 实验测量数据汇总
台试材 测试实验数据 号 法 导热系数?％* 内外球均温 加热功率 导热系数测量误差 tm λ ? 1粒手动 台 状 测 珍珠手动 2 台 岩 测 3粒手动 台 状 测 蛭石 手动 4 台 测 3粒微机 台 状 测 蛭4仪表 台 石 测 *手动测量与微机和仪表测量的相对误差（以手动测量为基准）
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