導熱系數(shù)的測定方法

1、導熱系數(shù)的測定方法導熱系數(shù)的測量方法n導熱系數(shù)（又稱熱導率）是反映材料熱傳導性質(zhì)的物理量，表示材料導熱能力的大小。n某種材料的導熱系數(shù)不僅與構(gòu)成材料的物質(zhì)種類密切相關(guān)，而且還與它的微觀結(jié)構(gòu)、溫度、壓力及雜質(zhì)含量有關(guān)。在科學實驗和工程設計中，所用材料的導熱系數(shù)都需要用實驗的方法精確測定。不穩(wěn)定溫度場不穩(wěn)定溫度場:溫度場內(nèi)如果各點溫度隨時間而改變 穩(wěn)定溫度場穩(wěn)定溫度場: 溫度不隨時間而改變等溫面等溫面：溫度場中同一時刻相同溫度各點組成的面。 因為空間同一點不能同時具有兩個不同的溫度，所以不同的等溫面彼此不能相交。t1t2t1t2等溫面Q溫度場溫度場t+tt-ttnQdA 溫度梯度是一個點點的概念。

2、 溫度梯度是一個向量。 方向垂直于該點所在等溫面，以溫度增的方向為正溫度梯度：溫度梯度：溫度場中，某一點等溫面法線方向上 的溫度變化率。 -導熱率/導熱系數(shù)，W/（mK） 或W/（m）, 越大，導熱性能越好； A-導熱面積， m2 ； dt/dx-負值(溫度降低的方向)， K/ m或 / m ） Q-導熱速率，正值， W，J/s；傅立葉定律傅立葉定律熱傳導的基本定律傅立葉定律傅立葉定律：單位時間內(nèi)傳導的熱量Q與溫度梯度dt/dx及 垂直于熱量方向的導熱面積A成正比。即：即： Q=-Adt/dx式中加負號-熱流方向與溫度梯度的方向相反。導熱率（導熱系數(shù)）導熱率（導熱系數(shù)）dxdtAQdxdtAQ

3、由傅立葉定律 影響的因素很多，主要是物質(zhì)的種類(固、液、氣)和溫度。 當溫度梯度為1時，單位時間內(nèi)通過單位導熱面積的熱量。 的大小表征物質(zhì)的導熱能力，是物質(zhì)的一個重要的物性參數(shù)(和，一樣).c c. . 金屬的純度純度對導熱系數(shù)影響很大 如：含碳為1%的普通碳鋼的導熱系數(shù)為4545W/mK，不銹鋼的導熱系數(shù)僅為1515 W/mK。 a a. 在所有固體中，金屬金屬是最好的導熱體。1.1.固體的導熱系數(shù)固體的導熱系數(shù) . 一般，一般，T，純金屬純金屬表4-1 常用固體材料的導熱系數(shù)固體 溫度， 導熱系數(shù)， (W/mK) 鋁 300 230 銅 100 377 熟鐵 18 61 鑄鐵 53 48

4、銀 100 412 鋼(1%C) 18 45 不銹鋼 20 16 石墨 0 151 石棉板 50 0.17 石棉 0100 0.15 耐火磚 1.04 保溫磚 0100 0.120.21 建筑磚 20 0.69 絨毛毯 0100 0.047 棉毛 30 0.050 玻璃 30 1.09 軟木 30 0.043 最大最大 金屬液體金屬液體導熱系數(shù)較高液體 非金屬液體非金屬液體導熱系數(shù)較低c c. 一般來說， 溶液 純液體。 a a. 在非金屬液體非金屬液體中，水水的導熱系數(shù)最大。2.2.液體的導熱系數(shù)液體的導熱系數(shù). 絕大多數(shù)液體（除水和甘油）： T，液液表4-2 液體的導熱系數(shù)液體 溫度， 導

5、熱系數(shù)， W/mK 醋酸50% 20 0.35 苯 30 0.16 氯化鈣鹽水30% 30 0.55 乙醇80% 20 0.24 甘油60% 20 0.38 甘油40% 20 0.45 正庚烷 30 0.14 水銀 28 8.36 硫酸90% 30 0.36 硫酸60% 30 0.43 水 30 0.62 最大最大.在通常的壓力范圍內(nèi),其導熱系數(shù)隨壓力壓力變化很小.c c.氣體的導熱系數(shù)很小,故對導熱導熱不利,但對保溫保溫有利。 3.3.氣體的導熱系數(shù)氣體的導熱系數(shù)a. 通常，通常，T，氣氣在壓力大于200MPa時 p，氣氣 壓力小于2.7kPa (20mmHg)時故工程計算中常可忽略壓力對氣

6、體導熱系數(shù)的影響。 表4-3 氣體的導熱系數(shù)氣體 溫度， 導熱系數(shù), W/mK 氫 0 0.17 二氧化碳 0 0.015 空氣 0 0.024 空氣 100 0.031 甲烷 0 0.029 水蒸汽 100 0.025 氮 0 0.024 乙烯 0 0.017 氧 0 0.024 乙烷 0 0.018 最大最大 總體：總體：固固液液氣氣4. 絕熱材料的導熱率絕熱材料的導熱率絕熱材料: 與溫度溫度、濕度濕度、組成組成及結(jié)構(gòu)的緊密結(jié)構(gòu)的緊密程度有關(guān)。 特點特點：纖維狀，多孔結(jié)構(gòu)-孔隙空氣小 小，空氣多-密度小到一定值，孔隙尺寸越長，空氣對流和熱輻射傳熱作用增強， 增大。所以，存在最佳密度，使最小

7、。吸水- 增大，保溫性能變差，所以，要防水。 物質(zhì)在溫度為t時的導熱系數(shù)，W/m； 大多數(shù)均質(zhì)的材料，其導熱系數(shù)與溫度近似成直線關(guān)系，可用下式表示 = =0 0(1+at) (1+at) a溫度系數(shù)，對大多數(shù)金屬材料為負值， 而對大多數(shù)非金屬為正值，1/。 0物質(zhì)在0時的導熱系數(shù)，W/m；n穩(wěn)態(tài)法平板法熱流計法n非穩(wěn)態(tài)法瞬態(tài)熱線法瞬態(tài)平面熱源法探針法激光法3q:327870170tel熱系數(shù)的測量方法穩(wěn)態(tài)法1.1.通過平壁的穩(wěn)定熱傳導通過平壁的穩(wěn)定熱傳導 1.1 通過單層平壁的穩(wěn)定熱傳導通過單層平壁的穩(wěn)定熱傳導假設假設：(1) A大，??；

8、(2) 材料均勻為常數(shù)常數(shù)；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時間變化。t1t2txdxQxQx+dx則：當x=0時，t= t1 x=時，t= t2 若平壁側(cè)面的溫度t1及t2恒定，邊界條件邊界條件根據(jù)傅立葉定律根據(jù)傅立葉定律 dxdtAQdxAQdttt021)(21ttAQ分離變量后積分（設不隨t而變） 得或AttQ)(21)(21ttAQq式中式中Q 熱流量或傳熱速率，W或J/s； A 平壁的面積，m2； 平壁的厚度，m；平壁的導熱系數(shù)，W/(m) ； t1,t2 平壁兩側(cè)的溫度，?！居懻撚懻摗浚?QtR推動力熱阻ttt()12AR1可表示為推動力：熱阻：例例1-1 1-1 現(xiàn)有一厚度為現(xiàn)有一

9、厚度為240mm240mm的磚壁，內(nèi)壁溫度的磚壁，內(nèi)壁溫度為為600600，外壁溫度為，外壁溫度為150150。試求試求通過每平方米通過每平方米磚壁的熱量。已知該溫度范圍內(nèi)磚壁的平均導熱磚壁的熱量。已知該溫度范圍內(nèi)磚壁的平均導熱系數(shù)系數(shù)=0.6W/m=0.6W/m。 )(21ttAQ)(21ttAQq=0.60(600-150) / 0.24=1125 W/m2解：解：n球體法n實驗儀器球壁導熱儀n適用材料適用材料 用于測定粉狀、顆粒狀、纖維狀干用于測定粉狀、顆粒狀、纖維狀干燥材料在不同填充密度下的導熱系數(shù)燥材料在不同填充密度下的導熱系數(shù)圓球法測定絕熱材料的導熱系數(shù)是以圓球法測定絕熱材料的導熱

10、系數(shù)是以同心球壁穩(wěn)定導熱規(guī)律作為基礎。在同心球壁穩(wěn)定導熱規(guī)律作為基礎。在球坐標中，考慮到溫度僅隨半徑球坐標中，考慮到溫度僅隨半徑 r 而變，而變，故是一維穩(wěn)定溫度場導熱。故是一維穩(wěn)定溫度場導熱。 實驗時，在直徑為實驗時，在直徑為 d1 和和 d2 的兩個同心圓球的圓殼之間均勻地填的兩個同心圓球的圓殼之間均勻地填充被測材料（可為粉狀、粒狀或纖維狀），在內(nèi)球中則裝有球形電充被測材料（可為粉狀、粒狀或纖維狀），在內(nèi)球中則裝有球形電爐加熱器。當加熱時間足夠長時，球壁導熱儀將達到熱穩(wěn)定狀態(tài)，爐加熱器。當加熱時間足夠長時，球壁導熱儀將達到熱穩(wěn)定狀態(tài)，內(nèi)外壁面溫度分別恒為內(nèi)外壁面溫度分別恒為 t1 和和 t

11、2 。根據(jù)這種狀態(tài)，可以推導出導熱系。根據(jù)這種狀態(tài)，可以推導出導熱系數(shù)數(shù)的計算公式。的計算公式。n根據(jù)傅立葉定理，經(jīng)過物體的熱流量有如下的關(guān)系：根據(jù)傅立葉定理，經(jīng)過物體的熱流量有如下的關(guān)系：n （44-1）n式中：式中： Q 單位時間內(nèi)通過球面的熱流量，單位時間內(nèi)通過球面的熱流量，W ；n 絕熱材料的導熱系數(shù)，絕熱材料的導熱系數(shù)，W/m ；n dt/dx 溫度梯度，溫度梯度，/m ；n A 球面面積，球面面積，A = 4r2，m2 。n 對（對（44 -1）式進行分離變量，并根據(jù)上述條件取定）式進行分離變量，并根據(jù)上述條件取定積分得積分得 n （44 - 2） Q=-Adt/dxdxdtAQd

12、xdtAQ 假定導熱系數(shù)為常數(shù)，在圓筒壁的內(nèi)半徑r1和外半徑r2間進行積分 分離變量得移項，得 dtlrdrQ2dtlrdrQttrr21212)(2ln2112ttlrrQ1221ln)(2rrttlQdrdtrldxdtAQ2 r dr r2 t1 r1 dt t2t圖4-11 單層平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導Qddttd d()()2112122 其中：其中：r1、r2分別為內(nèi)球外半徑和外球內(nèi)半徑。積分得：分別為內(nèi)球外半徑和外球內(nèi)半徑。積分得： （44-3） 其中：其中：Q為球形電爐提供的熱量。只要測出該熱量，即可計算出所測隔熱材料為球形電爐提供的熱量。只要測出該熱量，即可計算出所測隔熱材料的導熱系數(shù)

13、。的導熱系數(shù)。 事實上，由于給出的事實上，由于給出的是隔熱材料在平均溫度是隔熱材料在平均溫度 tm =（t1+t2）/2時的導熱系數(shù)。因時的導熱系數(shù)。因此，在實驗中只要保持溫度場穩(wěn)定，測出球徑此，在實驗中只要保持溫度場穩(wěn)定，測出球徑d1和和d2 ，熱量，熱量Q以及內(nèi)外球面溫度以及內(nèi)外球面溫度即可計算出平均溫度即可計算出平均溫度tm下隔熱材料的導熱系數(shù)。改變下隔熱材料的導熱系數(shù)。改變 t1 和和 t2 ，則可得到導熱系數(shù)，則可得到導熱系數(shù)與溫度關(guān)系的曲線。與溫度關(guān)系的曲線。 實驗裝置圖如44 1所示。主要部件是兩個銅制同心球殼1、2 ，球殼之間均勻填充被測隔熱材料，內(nèi)殼中裝有電熱絲繞成的球形電爐

14、加熱器3 . 銅康銅熱電偶二支（測外殼壁溫度），鎳鉻鎳鋁熱電偶兩支（測內(nèi)殼壁溫度）；均焊接在殼壁上。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)將熱電偶信號傳遞到電位差計，由電位差計檢測出內(nèi)外壁溫度。 外界電源通過穩(wěn)壓器后輸出穩(wěn)壓電源，經(jīng)調(diào)壓器供給球形電爐加熱器一個恒定的功率。用電流表和電壓表分別測量通過加熱器的電流和電壓。圖44-1 球壁導熱儀實驗裝置 1.內(nèi)球殼 2.外球殼 3.電加熱器 4.熱電偶熱端 5.轉(zhuǎn)換開關(guān) 6.熱電偶冷端 7.電位差計 8.調(diào)壓器 9.電壓表 10.電流表 11.絕熱材料1.將被測絕熱材料放置在烘箱中干燥，然后均勻地裝入球殼的夾將被測絕熱材料放置在烘箱中干燥，然后均勻地裝入球殼的夾層之中。層之中。 2.按圖按圖44-1安裝儀器儀表并連接導線，注意確保球體嚴格同心。安裝儀器儀表并連接導線，注意確保球體嚴格同心。檢查連線無誤后通電，使測試儀溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)（約檢查連線無誤后通電，使測試儀溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)（約34小時）。小時）。 3.用溫度計測出熱電偶冷端的溫度用溫度計測出熱電偶冷端的溫度t0。 4.每間隔每間隔510分鐘測定一組溫度數(shù)據(jù)（內(nèi)上、內(nèi)下、外