天津大學
熱工基礎與應用實驗報告
學校院系 ：天津大學機械工程學院
指導教師 ： 劉靖
學生姓名 ：
准考證號 ：
實驗用球體法測定材料的導熱係數
一、實驗目的
1、鞏固和深化穩態導熱的基本理論，學習測定粒狀材料的熱導率的方法。
2、確定熱導率和溫度之間的函式關係。
二、實驗任務
1. 了解球體導熱儀的實驗原理。掌握導熱係數的測定方法。
2. 測定幾種材料的導熱係數。
3. 通過實驗台操作完成手動測量資料，通過計算機執行監測完成計算機測量系統。
3、實驗原理
實驗原理部分：導熱是基本傳熱方式之一，要先給出導熱的定義，導熱方程-傅利葉定律，要用圖、公式等詳細說明導熱的機理。導熱係數的概念，及其影響因素。
平板、圓筒壁的到熱量計算公式等知識點。 粒狀材料的導熱係數可通過球體導熱儀測定。如圖1—1所示。
由均質粒狀材料填充而成的球壁，內外直徑分別為d11及d2（半徑r1及r2），它的內外表面溫度等於t1和t2，並維持
不變。由於在不大的溫度範圍內大多數工程材料的導熱係數與溫度的關係，均可按直線關係處理，則將付利葉定律用於此球壁導熱問題。如圖7—1的邊界條件積分可得到熱流量計算式：
（1—1）
（1—2）
式中：δ—球壁厚度δ=；
λm—球壁材料在時的導熱係數。
圖7—1 球殼導熱過程
因此，只要維持內外球壁溫度均勻穩定，已知球壁半徑d1和d2，測出內外球壁表面溫度t1和t2，即可由式（1—2）算出材料的導熱係數λm 。
熱導率是表徵材料導熱能力的物理量，其單位為w/(m·k)，對於不同的材料，熱導率是不同的。對於同一種材料，熱導率還取決於它的化學純度，物理狀態（溫度、壓力、成分、容積、重量和吸濕性等）和結構情況。各種材料的熱導率都是專門實驗測定出來的，然後匯成圖表，工程計算時，可以直接從圖表中查取。
球體法就是應用沿球半徑方向一維穩態導熱的基本原理測定粒狀和纖維狀材料導熱係數的實驗方法。
設有一空心球體，若內外表面的溫度各為t1和t2並維持不變，根據傅利葉導熱定律：
圖7—2 球體導熱儀實驗裝置原理結構圖
這裡要有球體導熱的原理圖！！
圖7-2為球體導熱原理圖
1）邊界條件2）
1、若λ= 常數，則由（1）（2）式求得
[w][w/m·k3)
2、若λ≠ 常數，（1）式變為
4）由（4）式，得
將上式右側分子分母同乘以（t2－t1），得
5)式中項顯然就是λ在t1和t2範圍內的積分平均值，用表示即，工程計算中，材料的熱導率對溫度的依變關係一般按線性關係處理，即。因此，
。這時，(5)式變為
[w/(m·k6）
式中，為實驗材料在平均溫度下的熱導率，
為穩態時球體壁面的導熱量，
分別為內外球壁的溫度，
分別為球壁的內外直徑。
實驗時，應測出和，並測出，然後由（3）或（6）得出。
如果需要求得λ和t之間的變化關係，則必須測定不同下的值，由
7）可求的值，得出λ和t之間的關係式。
四、實驗裝置
導熱儀本體結構和測量系統如圖1-1所示。
本體有兩個很薄的銅製同心球殼1和2組成。內球殼外徑為d1，外球殼外徑為d2，在兩球殼之間均勻填滿粒狀材料（如砂子、珍珠岩、石棉灰等）。內殼中裝有電加熱器，它產生的熱量將通過粒狀材料導至外殼，為使內外球殼同心，兩球之間有支撐桿。
由試料匯出的熱量從外殼表面以自然對流的方式由空氣帶走，球外商部和下部的空氣流動情況不同，外球表面溫度分布不均勻，因此在內外球殼的表面上各埋置3~6個對熱電偶，用來測量內外球殼的溫度，並取其平均值作為球壁的表面溫度。
球內試料應力求鬆緊均勻，填滿空間，室溫應盡量保持不變，避免日光直射球殼，應防止人員走動、風等對球殼表面空氣自由流動的干擾，以便使外球殼的自然對流放熱狀態穩定，這樣才能在試料內建立一維穩態溫度場。
五、實驗步驟
1、將試料烘乾，並根據給定的被測材料的容量，算出儀器內所需裝填的試料重量，然後均勻的裝入球內；
2、將所有儀器儀表按圖1-1接好，並經指導教師檢查；
3、接通電源，用調壓變壓器將電壓調到一定的數值並保持不變，觀察各項測量資料的變化情況；
4、當各項資料基本不隨時間變化時，說明系統已達穩定狀態，開始測量並記錄，每隔5分鐘測一次，並測3次；
5、整理資料，選取一組資料，代入計算式，計算值；
6、改變電加熱器的電壓，即改變熱流，使它維持在另一數值上，當達到新的穩態後，重複步驟4和5，得到新的值。 改變三次改變幾次呢？
利用兩種情況下的值，由（7）式求得值，得出λ和t之間的關係式。
實驗資料記錄表與實驗步驟不一致啊！
表7-1 實驗測量資料記錄
1、畫出實驗裝置系統簡圖；
2、實驗過程中所測量的原始資料記錄
3、實驗**和計算結果
4、實驗結果的誤差分析和討論
七、思考題
1、試料填充的不均勻所產生的影響是什麼？
2、內外球殼不同心所產生的影響是什麼？
3、室內空氣不平靜會產生什麼影響？
4、怎樣判斷、檢驗球體導熱過程已達到穩態？
5、怎樣按測得的資料，計算圓球表面自然對流換熱係數？
6、球體導熱儀從開始加熱到熱穩態所需時間取決於哪些因素？
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