实验 圆球法测定粒状材料导热系数

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1、实验球法测定粒状材料导热系数一、实验目的1. 掌握在稳态条件下，用圆球法测粒状材料导热系数的基本原理和方法以及实验装置的 结构；2. 加深对傅立叶定律的理解，巩固所学热传导的理论；3. 学会使用电位差计。二、实验原理两个直径不同的薄壁空心圆球，同心放置，两球之间充满一定密度、需要测定的粒状材 料，内球的内部装有一个电加热器，通电加热时，其产生的热量Q将沿着圆球表面的法线 方向通过颗粒状材料向外传递。假定内球壁面温度为牛外球壁面温度为成球面各点温度均匀，且t1如当加热时 间足够长、温度不随时间变化时，说明装置已达到稳定状态，根据球坐标下的稳定导热傅立 叶定律有：Q = -X A 虫=-X 4nr

2、 2 虫（1）drdr对于大多数材料来说，在一狭窄的温度范围内（约几十度）可以认为导热系数X随温度t作直线变化，即：X = X （1 + bt）式中：X0 一在0C时材料的导热系数；W/（m、C） b一比例常数。将式（2）代入式（1），得：(2)Q = -X0(1+bt )4nr 2?(3)分离变数后积分：t + bt2 =- + C24nX r当 r = r，t = t 时，t + bt2 =Q+ C1 11 2 1 4nX r当 r = r，t = t 时，t + bt2 = Q + C2 22 2 2 4X0 r2从上两式消去C得：(t -t ) + b(=) = (-)，可得到球体处于

3、稳定导热时，1 2 |_2 _| 4nX r r傅立叶定律的积分形式:2nX (t -t )Q = 1 4-1 d；即XarQ (1 4-1 d)2n(t -1 )(4)(5)_tx - 1 , A Alv 1 t + t/ 、t + t式中：X =X 1+ br 2 = X （1+ bt ） , t = r 2ar 020 ar ar 2从式（4）可看出，只需测出球内外径为、d2，热流Q及球内外表面温度小t2即可得 到X 。ar若要求解温度系数b，可采用调节加热功率的方法，在另一个加热工况下测定t、t2, 求得另一个t，利用式（2）有X =X （1+bt ），X =X （1+bt ）可得比例

4、常数b的表达 arar10ar1ar 20ar 2式：b = 1 匕 一1 （6）七-顿a/ tar2三、实验装置如图示：装置的主体由两个壁很薄的空心同心铜质球组成，内球直径d1为80 mm，外 球直径d2为160mm，内球内部装有电加热器，两球间装满试验材料（粒状物体），当全体 系达到稳定后，由电加热器产生的热量Q将全部通过中间粒状物质面传给外球表面，然后 再通过外球表面传给周围的空气。图1圆球法导热系数测量装置结构示意图图上内球表面装有三个热电偶，对应测温点t6分别为三个热电偶测外球表面的温 度。四、实验步骤1. 将电位差计、电流表、电压表，按图接好。2. 检查无误后，闭合电路加热，并调整

5、到所需功率，每隔5分钟记录一次，待全体系达 到稳定后，即内外球表面的温度不再改变时，取得后三次数据的平均值进行计算。3. 改变加热电压，重复上述试验。五、实验报告1. 简述球体法的实验原理，你认为达到该原理所要求的条件最关键部分是什么？2. 简述实验装置的结构原理（包括实验装置系统图）。3. 给出所有测量仪表的原始数据记录，记下各个仪表的精度等级。4. 计算材料的导热系数，整理实验结果。表1实验数据记录表次数t1t2t3tnt4t5t6out加热功率mVCmVCmVCCmVCmVCmVCCU/A123456六、思考题1. 查阅文献，了解绝热材料导热系数的数量级。2. 能否用这个装置测量金属、液体或者气体的导热系数?3. 能否用这个装置测量自然对流换热系数？4. 若实验装置做成两个内外方箱子是否可行？为什么？5. 为什么要待稳定后的数据才能用？6. 你对该装置及试验方法有何评价，谈谈你的改进设想。