用综合测量方法设计固体导热系数测试实验台

1　引　言

导热系数是表征材料导热性能的重要物性参数,材料导热系数的实验测定是传热学研究和高校专业教学实验的基本课题。我校传热学实验是传统的专业基础实验,开设时间早,面向专业宽。但实验设备陈旧,实验台急需彻底改造。为此,本单位自行设计研制了4套导热系数测量实验台,见图1。该实验台投入教学和科研后,运行状况良好,经技术专家鉴定,确认在结构设计和测量功能上达到国内先进水平[1]。

2　实验方法及主体结构

固体材料导热系数的实验测试方法按其原理不同,可分为稳态导热过程和非稳态导热过程两类。后者是利用试件的非稳态导热过程测算热扩散系数α,在已知物体密度ρ和比热cp的前提下,再利用λ=α/(ρ·cp)计算出试件的导热系数λ。显然,其测算方法较繁琐,还由于不同材质与形状的试件,其非稳态导热过程规律各异,故存在一定的不确定性。而前者是利用试件的稳态导热过程,直接测量导热系数,其原理简明,测试方法方便、直接。在这种方法中,按试件区形状不同又可分为无限大平板法、长圆柱体法和球体法三种,前两种结构虽易于建造,但其热损失不易控制,影响测量和计算精度,且实验装置往往设有辅助热源,使结构与控制变得复杂。对于球体法,虽球体加工较前两者复杂一些,但由于热量仅由内球向外沿径向传播,故热损失问题可不予以考虑[2]。

　　为符合高校实验特点,实验主体结构采用球体法,见图2。实验球体由内外球壳同心套装在一起,由装在内球中的球形加热器为热源,被测试材均匀装在两球之间,热流沿径向穿过内球、被测试材及外球,在外球壁面以自然对流方式冷却。

　　在试件稳定导热过程中,设内外球壁表面温度分别稳定在t1和t2,并服从傅里叶定律和一维稳态导热微分方程[2,3]:

式(1)中,F为垂直于热流方向的计算表面积。对(1)~(4)求解,可得:

式中,δ=(d2-d1)/2,d1、d2分别为内球和外球直径(m)。由式(5)可知,在球体法实验中,只要测出内外球壁温度t1、t2(℃)和加热功率Q(W),知道内外球直径d1和d2,即可算出试件的导热系数λ。若测出在不同温度下λ值,就可以得到试件导热系数随温度的变化式,应该说明的是,对于大多数工程材料,其导热系数λ随温度t变化呈直线形式[2,3]。

3　实验综合测量系统

3.1　手动测量系统

在设计手动测量系统中,球壁温度测量是通过多路转换开关将某路热电偶与电位差计接通,电位差计检测热电偶的毫伏数,再查毫伏-温度转换表(mV/℃)计算得到壁温值。内球加热量大小预先由调压器调节给出。当系统达到稳态运行时,加热功率的测量通过读取指针电压表和指针电流表的值,再计算得到功率值。为了保证检测精度,电位差计选用UJ33(精度0.1