用球体法测量导热系数实验
用球体法测量导热系数实验
.天津市高等教育自学考试模具设计与制造专业热工基础与应用综合实验报告（三）用球体法测量导热系数实验主考院校:专业名称：专业代码：学生姓名：准考证号：实验7 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1.导热的定义：导热是指物体内的不同部位因温差而发生的传热，或不同温度的两物体因直接接触而发生的传 热.2.温度场: 非稳态 t=f （x,y,z,τ） 稳态 t=f(x,y,z)一维稳态 t=f(x)上式中x,y,z 为空间坐标， τ为时间 3温度梯度：上图中，等温面法向温度增量t ∆与距离n ∆的极限比值的极限。
即：n t nn t n gradt n ∂∂=∆∆=→∆0lim4.傅里叶定律：傅里叶定律的文字表述：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直 于该界面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。
dx dt n t Q λλ=∂∂=其中Q 为导热量，单位为W ；A 为传热面积，单位为m2；T 为温度， 单位为K ；x 为在导热面上的坐标，单位为m 。
5．导热系数：导热系数是表征物质导热能力的物性参数。
一般地，不同物质的导热系数相差很大。
金属的导热系数在2.3～417.6W/m ·℃范围， 建筑材料的导热系数在0.16～2.2 W/m ·℃之间， 液体的导热系数波动于0.093～0.7 W/m ·℃， 气体的导热系数为0.0058～0.58 W/m ·℃范围内。
即使是同一种材料，其导热系数亦随温度、压力、湿度、物质结构和密度等因素而变化dxdt q -=λλ为导热系数，w/m.k6.影响λ的因素：1）温度、密度、湿度及材料的种类的等因素。
对流传热过程是流体与壁面间的传热过程，所以凡是与流体流动及壁面有关的因素，也必然影响 对流传热系数的数值，实验表明传热系数 值与流体流动产生的原因。
(完整word版)圆球法测量导热系数
圆球法测定材料导热系数一、目的在稳定传热情况下，利用圆球法测定粒状材料的导热系数，并用图解法确定此材料的导热系数与温度之间的线性关系λ=λ0(1+bt)二、原理本实验是利用在稳定传热情况下，以球壁导热公式作为基础来求得粒状材料的导热系数λ。
设有一空心球体，球的内表面直径d 1，外表面直径为d 2，壁厚212d d -=δ，如果内、外表面的温度维持不变，并等于t 1和t 2，则根据傅立叶定律得δπλπλ21212121)(11)(2dd t t d d t t Q -=--=（1）移项得)()(21212121t t d d IU t t d d Q -=-=πδπδλ （2）式中：I 为电热器的工作电流U 为电热器的工作电压；λ为试验材料在温度221tt t -=时的导热系数。
如果需要求得λ和温度之间的变化关系，则必须测定在不同温度下的导热系数，然后将测得的导热系数值λ1、λ2、λ3…λn 及其对应的t 1、t 2、t 3…t n 在坐标纸上绘出其坐标位置，如下图所示。
绘出坐标点后，应根据各的昂的位置揣摩一下，是否能够连成一条直线或连成一条曲线。
由于固体材料的导热系数与温度之间的函数关系，在温度相差不过分悬殊时一般可以当作线性直线关系的。
因此可通过各点间的中心位置绘一条直线，然后在直线上任取a、b两个坐标点并算出直线的截距，就不难求出函数式λ=λ0(1+bt)，此式是描绘被测材料的导热系数与温度之间的经验关系式。
实验点之所以不能完全落在一条直线上，是由于λ(t)不完全是线性关系，其次在实验中难免有种种误差所引起的偏差。
三、实验装置本实验装置中，仅取四个温度工况。
为了便于学生实验，四个不同温度工况由四个不同的实验球来实现。
每个实验球共有两个空心球体，球壁均用紫铜板冲压成形。
内球外径为d1，外球的内径为d2。
四个空心球体的几何尺寸见下表：球体结构的尺寸内球中间装有电加热器，电加热器的功率自耦式调压器调节，输出的功率通过装在电加热器电源上的电压表和电流表读出，并由变送器将数据送入数据采集系统。
《传热学》实验 球体法测粒状材料的导热系数
《传热学》实验球体法测粒状材料的导热系数一、实验目的和要求1、巩固稳定导热的基本理论，学习用圆球法测定疏散物质的导热系数的实验方法和测试技能。
2、实际测定被试材料的导热系数λ。
m3 、绘制出材料的导热系数λ与温度t的关系曲线。
m二、实验原理圆球法测定物质的导热系数，就是应用沿球壁半径方向三向度稳定导热的基本原理来进行对颗粒状及粉末状材料导热系数的实验测定。
导热系数是一个表征物质导热能力大小的物理量，对于不同物质，导热系数是不相同的，对于同一种物质，导热系数会随着物质的温度、压力、物质的结构和重度等有关因素而变异。
各种不同物质导热系数都是用实验方法来测定的；几何形状不同的物质可采用不同的实验方法，圆球法是用来疏散物质导热系数的实验方法之一。
圆球法是在两个同心圆球所组成的夹层中放入颗粒状或粉末状材料，内球为热球，直径为d表面温度为t，外球（球壳）为冷球，直径为d壁面温度为t。
根DDvd据稳态导热的付立叶定律，通过夹层试材的导热量为：,tt12 [w] ,,111(,)2,,ddm12在实验过程中，测定出Φ、t 和t，就可以根据上式计算出材料的导热系数：12,(d,d)21, [w/m ?] ,m,2dd(t,t)1212改变加热量Φ就可以改变避面温度t 和t，也就可以测出不同的温度下试材的12导热系数，这样就可以在t 和t坐标中测出一条t 和t的关系曲线，根据这条曲1212线即可求出λ=f(t)的关系式。
三、实验装置及测量仪表球体法实验装置的系统图如图4-1所示，整个测试系统包括：圆球本体装置、交流调压器、交流稳压电源、0.5级瓦特表、UJ33a型电位差计和热电偶转换开关盒等。
圆球本体的示意图如图4-2所示，它由铜质热球球体、冷球球壳、保温球盒和泡沫塑料保温套等组成。
热球球体由塑料支架架设在整个圆球本体的中央，球体内；冷球球壳由两个半球球壳合成，球壳内空，为恒温水套，通以恒温水槽的D 部埋设加热元件，通电后是球体加热，球体表面设有热电偶1，用以测量热球表面循环水流，球壳内壁面设有热电偶2，用以测量冷球壳壁温度t；热球和冷球球壳2温度t之间的夹层中，可放入疏散颗粒体或粉末体试材料，热球发出的热量将全部通过被试验材料传导的冷球球壳，并由球壳中的循环水带走。
圆球法测量导热系数
圆球法测定材料导热系数一、目的在稳定传热情况下，利用圆球法测定粒状材料的导热系数，并用图解法确定此材料的导热系数与温度之间的线性关系λ=λ0(1+bt)二、原理本实验是利用在稳定传热情况下，以球壁导热公式作为基础来求得粒状材料的导热系数λ。
设有一空心球体，球的内表面直径d 1，外表面直径为d 2，壁厚212d d -=δ，如果内、外表面的温度维持不变，并等于t 1和t 2，则根据傅立叶定律得δπλπλ21212121)(11)(2dd t t d d t t Q -=--=（1）移项得)()(21212121t t d d IU t t d d Q -=-=πδπδλ （2）式中：I 为电热器的工作电流U 为电热器的工作电压；λ为试验材料在温度221tt t -=时的导热系数。
如果需要求得λ和温度之间的变化关系，则必须测定在不同温度下的导热系数，然后将测得的导热系数值λ1、λ2、λ3…λn 及其对应的t 1、t 2、t 3…t n 在坐标纸上绘出其坐标位置，如下图所示。
绘出坐标点后，应根据各的昂的位置揣摩一下，是否能够连成一条直线或连成一条曲线。
由于固体材料的导热系数与温度之间的函数关系，在温度相差不过分悬殊时一般可以当作线性直线关系的。
因此可通过各点间的中心位置绘一条直线，然后在直线上任取a、b两个坐标点并算出直线的截距，就不难求出函数式λ=λ0(1+bt)，此式是描绘被测材料的导热系数与温度之间的经验关系式。
实验点之所以不能完全落在一条直线上，是由于λ(t)不完全是线性关系，其次在实验中难免有种种误差所引起的偏差。
三、实验装置本实验装置中，仅取四个温度工况。
为了便于学生实验，四个不同温度工况由四个不同的实验球来实现。
每个实验球共有两个空心球体，球壁均用紫铜板冲压成形。
内球外径为d1，外球的内径为d2。
四个空心球体的几何尺寸见下表：球体结构的尺寸球号d1 mm d2 mm d mm1 80.0 160.0 163.02 80.0 160.0 163.03 80.0 160.0 163.04 80.0 160.0 163.0内球中间装有电加热器，电加热器的功率自耦式调压器调节，输出的功率通过装在电加热器电源上的电压表和电流表读出，并由变送器将数据送入数据采集系统。
球体导热实验报告模板
球体导热实验报告模板实验目的本实验旨在研究球体导热特性，在不同材料条件下测定球体的导热系数。
实验原理导热是物质内部传递热能的过程。
在实验中，我们使用球体作为研究对象进行导热特性的测定。
根据热传导定律，导热速率与温度差、材料导热系数和截面积成正比，与材料厚度成反比。
通过测量球体的温度和时间，我们可以计算出球体的导热系数。
实验装置和材料- 金属球体- 温度计- 实验台- 温控设备- 计时器- 能源供应装置实验步骤1. 准备实验装置，将金属球体置于实验台上。
2. 测量环境温度并记录。
3. 将温度计插入金属球体中心，并启动计时器。
4. 使用温控设备加热金属球体，使其保持较高的温度。
5. 每隔一段时间（如10秒），测量并记录金属球体的温度，直到温度趋于稳定。
6. 停止计时器，并记录实验时长。
7. 拔出温度计，测量环境温度并记录。
8. 重复以上步骤3-7，使用不同材料的球体进行实验。
数据处理根据实验步骤中记录的数据，我们可以进行如下处理：1. 计算金属球体的温度变化率，即{(T_{\text{final}} - T_{\text{initial}})}/{t}，其中T_{\text{final}} 表示球体最终温度，T_{\text{initial}} 表示球体初始温度，t 表示实验时长。
2. 计算球体的导热系数，即\kappa = {Q d}/{(T_{\text{final}} -T_{\text{initial}})}，其中Q 表示单位时间内通过球体传递的热量，d 表示球体材料厚度。
实验结果根据实验数据和数据处理的结果，我们得到不同材料条件下球体的导热系数如下表所示：材料导热系数(W/m·K)-铜球400铝球200玻璃球 1.5结果分析根据实验结果可知，不同材料的球体在相同条件下具有不同的导热性能。
铜球的导热系数最大，达到400 W/m·K，而玻璃球的导热系数最小，仅有1.5 W/m·K。
稳态球体法测定粒状材料导热系数
稳态球体法测定粒状材料导热系数稳态球体法被广泛用来测定粒状材料的导热系数。
在这个方法中，测量样品的热导率通常被视为一个代理指标，以了解样品中小颗粒的热传导性质。
在这种情况下，基本原理是利用一个孔径为球形的体积形状，在恒定温度梯度下测量热流量。
这个球形体积被认为是纯材料的热储罐，抵消了样品中颗粒的热传导阻力。
暴露在一个稳定的热源上，并在球体表面的定位位置测量温度。
球体应该有足够的体积，以便可以通过这个设备来实现温度差。
球体的直径应该足够大，以便在连续的热传导过程中不受该装置中的任何相互作用的影响，以提供最精确的结果。
为了确定样品的热导率，必须在样品上测量温度梯度。
这可以通过在不同位置测量温度值来实现。
在球体中心安放有热源，温度必须稳定并保持不变以提供恒定的温度梯度。
此外，热源必须适合在球体中心引起恒定点热流，并具有可预测的温度依赖性。
样品应该细致处理以确保其中不含任何空隙。
颗粒大小需要在同一范围内，并且粉末的密度需大于0.5g/cm3来防止空隙和空气通过保护层和实验室空气流进样品。
使用稳态球体法测量热导率时需要注意一些关键因素，如设备的温度稳定性，温度传感器的精度和灵敏度，以及样品放置时可能发生的不均匀微观变化。
这些因素均可能影响测量结果的可靠性。
因此，通过稳态球体法测量样品的热导率时，需要进行精确的实验室控制和数据精度分析。
为了准确地测量材料的热导率，需要使用多种温度梯度，以提供充分的数据量用于建立样品的热传导特性模型。
总而言之，稳态球体法是一种准确测量粒状材料热导率的方法。
通过仔细的样品处理和实验室控制，以及充分的数据分析，可以获得准确的结果。
《传热学》实验 球体法测粒状材料的导热系数
《传热学》实验球体法测粒状材料的导热系数一、实验目的和要求1、巩固稳定导热的基本理论，学习用圆球法测定疏散物质的导热系数的实验方法和测试技能。
2、实际测定被试材料的导热系数λ。
m3 、绘制出材料的导热系数λ与温度t的关系曲线。
m二、实验原理圆球法测定物质的导热系数，就是应用沿球壁半径方向三向度稳定导热的基本原理来进行对颗粒状及粉末状材料导热系数的实验测定。
导热系数是一个表征物质导热能力大小的物理量，对于不同物质，导热系数是不相同的，对于同一种物质，导热系数会随着物质的温度、压力、物质的结构和重度等有关因素而变异。
各种不同物质导热系数都是用实验方法来测定的；几何形状不同的物质可采用不同的实验方法，圆球法是用来疏散物质导热系数的实验方法之一。
圆球法是在两个同心圆球所组成的夹层中放入颗粒状或粉末状材料，内球为热球，直径为d表面温度为t，外球（球壳）为冷球，直径为d壁面温度为t。
根DDvd据稳态导热的付立叶定律，通过夹层试材的导热量为：,tt12 [w] ,,111(,)2,,ddm12在实验过程中，测定出Φ、t 和t，就可以根据上式计算出材料的导热系数：12,(d,d)21, [w/m ?] ,m,2dd(t,t)1212改变加热量Φ就可以改变避面温度t 和t，也就可以测出不同的温度下试材的12导热系数，这样就可以在t 和t坐标中测出一条t 和t的关系曲线，根据这条曲1212线即可求出λ=f(t)的关系式。
三、实验装置及测量仪表球体法实验装置的系统图如图4-1所示，整个测试系统包括：圆球本体装置、交流调压器、交流稳压电源、0.5级瓦特表、UJ33a型电位差计和热电偶转换开关盒等。
圆球本体的示意图如图4-2所示，它由铜质热球球体、冷球球壳、保温球盒和泡沫塑料保温套等组成。
热球球体由塑料支架架设在整个圆球本体的中央，球体内；冷球球壳由两个半球球壳合成，球壳内空，为恒温水套，通以恒温水槽的D 部埋设加热元件，通电后是球体加热，球体表面设有热电偶1，用以测量热球表面循环水流，球壳内壁面设有热电偶2，用以测量冷球壳壁温度t；热球和冷球球壳2温度t之间的夹层中，可放入疏散颗粒体或粉末体试材料，热球发出的热量将全部通过被试验材料传导的冷球球壳，并由球壳中的循环水带走。
传热学-球体法测导热系数(2014修改)
《传热学》实验指导书实验名称：用球体法测定粒状材料的导热系数实验 实验类型: 验证性实验 学 时：2适用对象: 热动、集控、建环、新能源等专业一．实验目的1. 巩固和深化稳态导热的基本理论，学习测定粒状材料的导热系数的方法。
2. 确定导热系数和温度之间的函数关系。
二．实验原理导热系数是表征材料导热能力的物理量，其单位为（W/m·K ）。
对于不同的材料，导热系数是不同的。
对于同一种材料，导热系数还取决于它的化学纯度，物理状态（温度、压力、成分、容积、重量、吸热性等）和结构情况。
各种材料的导热系数都是用专门的实验测定出来的，然后绘成图表，工程计算时，可以直接从图表中查取。
球体法就是应用沿球半径方向一维稳态导热的基本原理测定颗粒状及纤维状材料导热系数的实验方法。
设有一空心球壳，若内、外表面的温度各为t 1和t 2并维持不变，根据傅立叶定律：rtr r t AΦd d 4d d 2λπλ-=-= （1） 在稳态情况下，球壳内沿坐标r 方向的热流量为常数， 对式（1）分离变量，并根据边界条件积分有：⎰⎰-=2121d 4d 2r r t t t rr Φλπ （2） 1. 若λ＝常数，则由（1）、（2）式求得122121122121)(2)(4d d t t d d r r t t r r Φ--=--=πλπλ （3） )(2)(212112t t d d d d Φ--=πλ （4）2. 若≠λ常量， 在式（2）等号右侧分子分母同乘以12t t -，有)(d )(4d 121222121t t t t t t rr Φt t r r ---=⎰⎰λπ （5） 式中1221)(t t dtt t t -⎰λ项显然就是导热系数在1t ~2t 温度范围内的积分平均值。
用m λ表示，即1221)(t t dtt t t m-=⎰λλ，工程计算中材料导热系数对温度的依变关系一般按线性关系处理，即)1(0bt +=λλ。
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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： 020*********
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d 11及d 2（半径r 1及r 2），它的内外表面温度等于t 1和t 2，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: 1212()m
d d t t πλδΦ=
- （1—1） 1212()
m d d t t δ
λπΦ∙=
- （1—2）
式中：
δ—球壁厚度δ=)(2
112d d -； λm —球壁材料在 2
2
1t t t m +=
时的导热系数。
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d 1和d 2，测出内外球壁表面温度t 1和t 2，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 2 +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.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。
2.将试验材料烘干，并按一定的容量装入球内。
3.连接并检查线路系统。
4.调电接点温度计的磁帽至所需的温度值。
5.学会用电位差计测量热电偶信号操作要领。
6.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。
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
表7-2 实验测量数据汇总
*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）。