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。
《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》实验 球体法测粒状材料的导热系数
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λm 。
3 、绘制出材料的导热系数λm 与温度t 的关系曲线。
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 D 表面温度为t D ，外球（球壳）为冷球，直径为d v 壁面温度为t d 。
根据稳态导热的付立叶定律，通过夹层试材的导热量为：)11(212121d d t t m --=Φπλ [w]在实验过程中，测定出Φ、t 1 和t 2，就可以根据上式计算出材料的导热系数：)(2)(212112t t d d d d m --Φ=πλ [w/m ℃]改变加热量Φ就可以改变避面温度t 1 和t 2，也就可以测出不同的温度下试材的导热系数，这样就可以在t 1 和t 2坐标中测出一条t 1 和t 2的关系曲线，根据这条曲线即可求出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，用以测量热球表面温度t D；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t2；热球和冷球球壳之间的夹层中，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。
实验一圆球法测粒状材料的导热系数
实验一 圆球法测粒状材料的导热系数一、实验目的1.通过实验，掌握在稳定热流情况下，用圆球法测各种粒状材料的导热系数的方法。
2.确定导热系数随温度变化的关系。
3.加深对付里叶定律的理解。
二、实验原理付里叶定律应用于球体稳定导热时其热流量：dr dt r dr dt FQ 24πλλ=-=（W ） （1）实验证明，当温度变化范围不大时，对决大多数工程材料的导热系数与温度的关系，可以近似地认为是直线关系。
()m t βλλ+=10 （2）将（2）代入（1）dr dt r t Q m 204)1(πβλ+-=通过分离变量212111(2d d t t Q --=均）均πλ (W ) (3)均）均2121(2)11(t t d d Q --=πλ )/(c m W ︒⋅ （4）式中 2/)(21均均＋t t t m =21d d 、—分别为内球壳的外径和外球壳的内径（m ）均均、21t t ——内、外球表面平均温度（c ︒） λ——材料的导热系数Q ——热流量 Q = I V （W ）β——由实验确定的常数0λ——材料在0C O 时的导热系数 )/(c m W ︒⋅由式（4）可知，只要在球壁内维持一维稳定温度场，测出它的直径均均、、和、2121t t d d 以及导热量 Q 的值，则可由（4）式求出温度，以及221均均t t t m +=时材料的导热系数。
为了求得 λ 和 t 的依变关系，则必须测定不同 m t 下的 m λ之值，从而求出（2）式中的 0λ 和 β 值。
球壁导热过程三、实验数据记录实验二 空气横掠单管时平均换热系数的测定 一、实验目的、要求1、 了解实验装置，熟悉空气流速及管壁的温度的测量方法，掌握测试仪器、仪表的使用方法。
2、 通过对实验的综合整理，掌握强制对流换热实验数据的整理方法。
3、 了解空气横掠管子时的换热规律。
二、基本原理根据对流换热的分析，稳定受迫对流时的换热规律可用下列准则关系式来表示： N u =f(R e ·P r ) （1）对于空气、温度变化范围又不大，上式中的普朗数P r 变化很小，可作为常数看待，故（1）式简化为：N u =f(R e ) （2）努谢尔特数 N u =λαD（3）雷诺数 R e =υuD（4） 式中 α—空气横掠单管时的平均换热系数，(w/m ·℃)u —来流空气的速度，(m/s) D —定型尺寸，取管子的外径，(m) λ—空气的导热系数，(w/m ·℃) υ—空气的运动粘度，(m 2/s)要通过实验确定空气横向掠过单管时的N u 与R e 的关系，就需要测定不同流速u 及不同管子直径D 时换热系数α的变化。
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。
实验指导书 球体法测粒状材料导热系数测定实验
球体法测粒状材料导热系数测定实验球体法测材料的导热系数是基于等厚度球状壁的一维稳态导热过程，它特别适用于粒状松散材料。
球体导热仪的构造依球体冷却的不同可分为空气自由流动冷却和恒温液体强制冷却两种。
本实验属于后一种恒温水冷却液套球体方式。
一、实验设备球体导热仪本体结构及量测系统示意图如图3所示。
图3 体结构及量测系统示意图本体由两个厚1~2mm的紫铜球壳1和2组成，内球壳外径d1，外球壳内径d2，在两球壳之间均匀充填粒状散料。
一般d2为160~220mm，d1为30~60mm，故充填材料厚为50mm左右，内壳中装有电加热器，它产生的热量将通过球壁充填材料传导至外球壳。
为使内外球壳同心，两球壳之间有支承杆。
外球壳的散热方式一般有两种：一种是以空气自由流动方式（同时有辐射）将热量从外壳带走；另一种是外壳加装冷却液套球，套球中通以恒温水或其他低温液体作为冷却介质。
本实验为双水套球结构。
为使恒温液套球的恒温效果不受外界环境温度的影响，在恒温液套球之外再加装一个保温液套球。
保温液套与稳态平板法一样，利用球体导热仪的设备亦可测量材料的导温系数。
图2 原理图二、实验原理图2所示球体的内、外球直径分别为d 1和d 2（半径为r 1和r 2）。
设球壁的内球外表面温度与外球内表面分别维持为t 1和t 2，并稳定不变。
将傅里叶导热定律应用于此球壁的导热过程，得drdtFQ λ-=drdt r 24πλ•-= W（1）边界条件为r=r 1 t=t 1r=r 2 t=t 2由于在不太大的温度范围内，大多数工程材料的导热系数随温度的变化可按直线关系处理，对式（1）积分并代入边界条件，得)(2121t t d d Q m-=δλπ W （2） 或 )(2121t t d d Q m -=πδλW/m ·℃ （3）式中 δ——球壁之间材料厚度，δ=（d 2-d 1）/2，m ；λm ——t m =(t 1+t 2)/2时球壁之间材料的导热系数。
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。
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用球体法测量导热系数实验
模具设计与制造专业的“热加工基础”
用球体法测试导热性指南
姓氏:高晋朝门票编号:020*********完成时间:2011年9月28日
球体法测量热导率的实验
一、实验目的
1.学习如何用球体法测量粒状材料的热导率。
2、了解温度测量过程和温度传感元件。
二、实验原理
球体法是一种利用沿球体壁半径方向一维导热系数的基本原理测量颗粒纤维材料导热系数的实验方法。
在由两个同心球体构成的夹层中，将颗粒或纤维材料放入夹层中，颗粒材料的热导率可以用球体热导率仪测量。
如图1-1所示。
填充有均匀颗粒材料的球形壁具有内径d11和外径d(半2直径r1和r2)，其内表面温度和外表面温度等于t1和t2，内球形直径D1 = 60毫米，外球形直径D2 = 200毫米，并且保持不变。
由于大多数工程材料的导热系数与温度之间的关系在小的温度范围内可视为一条直线，因此傅里叶定律适用于球形壁的导热系数。
如图7-1所示
热流量计的公式可以通过积分边界条件得到:？？d1d2？m(t1？T2)(1-1)？？？？(1-2)
？d1d2(t1？t2)12？m？其中:
δ-球形壁的厚度δ=(d2？D1)；λm-球形壁的材料是tm？t1？t2时的热
导率。
2
图7-1球壳导热过程
因此，只要内外球形壁的温度保持均匀和稳定，球形壁的半径d1和d2是已知的，并且测量内外球形壁的表面温度t1和t2，材料的热导率λm可以从公式(1-2)计算。
当实验进行到稳态时，用傅立叶定律来确定夹层的导热系数。
从上面的公式可以看出，只要在实验的稳态下测量由内球发射的热量和由热电偶测量的内球和外球表面的温度，就可以计算λ。
实验室
2
以热电偶为分度号k镍铬镍铬热电偶，温度势关系为:t = 0.0505 x+24.062 x+0.704℃(x为温度势值)。
从上述公式还可以看出，如果通过材料的热量改变，则内球壁表面的温度将相应地改变，从而材料将处于另一种加热状态，因此
可以在不同的平均温度t=(t 1 +t 2 )/2下测量测试材料的热导率，并且热导率和温度之间的关系不难确定。
三。
实验设备
如图7-2所示，实验设备由球形导热仪本体、实验台手动测试系统、计算机测量系统和数字仪表测量系统组成。
球形导热仪的本体同心套有两个球壳，内球壳的外径为d1，外球壳的内径为d2，两个球壳之间填充有实验颗粒状材料，通过加热设置在内球壳内的球形电加热器获得热量。
热量通过内球壁和被测材料传递到外球壳，外球壳通过自然空气对流冷却。
每个球壳有上下两个测温点，取平均值作为球壳的温度。
球体法便于测量各种散装材料(如沙子、矿渣、石灰等)的导热
系数。
)。
手动测试系统通过操作实验台完成手动测量数据，其中功率测量由电压表和电流表检测，温度测量由电位器检测。
计算机测量系统通过计算机操作监控主屏幕，实时显示实验测量数据，计算热导率测量值等。
数字仪表测量系统通过数字仪表柜直接测量球壁温度值和热流功率值。
四.实验方法和数据1。
2.3.4.5.6.
在测试台上确认电压表、电流表工作范围和指针读数装置的转换。
干燥测试材料，并根据一定的容量将它们放入球中。
连接并检查接线系统。
将电接触温度计的磁帽调节到所需的温度值。
学习使用电位计测量热电偶信号的操作要领。
据估计，热球所需的加热功率(冷热侧温差应大于10℃)，根据此范围调整后稳压电源不变，热电偶的冷端将放入冰桶(0℃)。
7.观察系统的变化，达到稳态时用电位计测量内外球面(t 1，t 2)的热电势，同时记录加热电压和电流值。
改变加热功率，切换转换开关，重复6和7。
测量不同△T条件下的λ值，并记录4个温度测量点的数据；读取表格以获得电压和电流数据。
将实验数据记录在表7-1中。
~ 220伏铜-康铜热电偶3#调节器(变量)开关1#电热丝V A4#2#冰点桶电位器E图7-2球形导热体实验装置原理及结构图实验数据整理
完成表7-1和表7-2中实验数据的记录、计算和整理。
六.实验报告
1.结合课堂教学的理论和实验内容，学生应提供自己编写的实验报告。
2.学生应该根据自己的实验，独立、认真地写实验报告。
在理论
教学中，要求字迹工整，数据准确，观察现象描述层次清晰，实验结果的分析和评价以知识为基础。
七、思考问题
1.简述球体法测量材料热导率的优缺点？
2.如果内外球壳稍微偏心，导热系数的测定会受到影响吗？为什么是3。
试着解释悬浮在空气中的实验球体和外壳表面的传热模式？如果球壳表面有气流或阳光，会影响热导率的测量吗？为什么？
表7-1实验测量数据记录
记录器:同组:时间:实验参数实验数据实验表内壳温度外壳温度球试验材料名称内上t1-1内下t1-2外上T2-1外下T2-2壳中压中压中压中压温度容量℃℃温度范围内的平均温度t1=平均外球温度t2=外球直径tm=( t1+ t2)/2=加热电压U电流I(A)功率？？问？你？内径环境温度热导率λ TM = (w/m℃)
表7-2实验测量数据汇总
台湾测试材料导热系数测试数据编号法？% *内部和外部球平均温度加热功率热导率测量误差tm λ？手动测量与微机和仪器测量之间的相对误差(基于手动测量)
表7-1实验测量数据记录
记录器:同组:时间:实验参数实验数据实验表内壳温度外壳温度球试验材料名称内上t1-1内下t1-2外上T2-1外下T2-2壳中压中压中压中压温度容量℃℃温度范围内的平均温度t1=平均外球温度t2=外球直径tm=( t1+ t2)/2=加热电压U电流I(A)功率？？问？你？内径环境温
度热导率λ TM = (w/m℃)
表7-2实验测量数据汇总
台湾测试材料导热系数测试数据编号法？% *内部和外部球平均温度加热功率热导率测量误差tm λ？手动测量与微机和仪器测量之间的相对误差(基于手动测量)。