CN201281694Y - 材料导热系数测定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种材料导热系数测定装置，设置一个器壁及底部覆有保温材料(7)且上部开口的容器，所述容器用管道与一个蒸汽发生器(2)相连，容器的开口处放置被测材料的样块(6)，样块的上部放置冰块(5)，冰块上罩有保温杯(4)，本实用新型在稳态平衡条件下被测样品传递的热量全部用于冰的溶解，通过测出t时间内冰的溶解质量M来测量样品所传递的热量，然后再根据相应的公式就可计算出导热系数。

Description

材料导热系数测定装置

技术领域

本实用新型一般涉及一种物理实验装置，特别是一种材料的导热系数测定装置。

技术背景

导热系数，工程上又称热导率，是描述材料性能的一个重要参数，在物体的散热和保温工程实践中如锅炉制造、房屋设计、冰箱生产等都要涉及这一参数。由于材料结构的变化对导热系数有明显的影响，导热系数的测量不仅在工程实践中有重要的实际意义，而且对新材料的研制和开发也具有重要意义。按导热性能来划分，材料可以分为良导体和不良导体。不良导体的导热系数一般较小，例如石棉板为0.12W.m^-1.K^-1，松木为0.15～0.35W.m^-1.K^-1，橡胶为0.22W.m^-1.K^-1，良导体的导热系数通常比较大，约为不良导体的10²～10³倍，例如铜为4.0×102W.m^-1.K^-1，测量良导体和不良导体导热系数的方法各有不同，一般分为稳态法和动态法两类。对于良导体，常用流体换热法测量所传递的热量，计算导热系数。由于传统的良导体导热系数测量仪的温度计与导体之间接触不充分，使温度计测量出的温度偏小。特别是，空气隔离层对温度测量影响较大，同时实验本身未考虑到空气的导热问题，所以测量结果误差较大。另外，传统的FD-DC-B型不良导体导热系数测量仪采用铜铜板加热被测样品，样品的表面不平整度，不平行度以及传热介质等因素对实验结果的影响也较大。因此，提供一种新的测量装置是有必要的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能克服公知技术的缺点，能快速、准确的测定出材料的导热系数的测定装置。

为实现上述目的，本实用新型的方案为：设置一个器壁及底部覆有保温材料且上部开口的容器，所述容器用管道与一个蒸汽发生器相连，容器的开口处放置被测材料的样块，样块的上部放置冰块，冰块上罩有保温杯。

采用上述方案，在开口容器内通入蒸汽，蒸汽加热被测材料的样块，在稳态平衡条件下被测样品传递的热量全部用于冰的溶解，通过测出t时间内冰的溶解质量M来测量样品所传递的热量，然后再根据相应的公式就可计算出导热系数。

下面结合图示及实施例对方案作更详细的说明。

附图说明

图1为材料导热系数测定装置。

具体实施方式

如图1所示为方案中的测定装置，该装置由电炉1，蒸汽发生器2，蒸汽管道3，保温杯4，冰块5，测试样品6，保温材料7，蒸汽室8，支架9和接水杯10组成。实验时蒸汽发生器产生的蒸汽通过管道进入样品下面的密闭蒸汽室内，使样品的下表面处在100℃的稳定高温环境中。然后在测试样品的上表面放上与样品截面尺寸大小一致的冰块。为了防止冰块与周围环境交换热量，实验时在冰块外面罩上一个保温杯。冰溶解后的水通过接水管引入接水杯中。这样就可以使样品上下两面的温度差恒定为100℃，通过测量冰溶解的速度可以得到蒸汽通过测试样品传递给冰的热量。根据测定得到的参数就可计算出样品的导热系数，计算过程如下：

根据傅里叶导热方程，在单位时间内流过导体的热量，与温度差dT及其截面S成正比，与导体的厚度X成反比：

$Q=-\mathrm{KS}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}t---\left(1\right)$

式中

叫做温度梯度，Q是t时间通过横截面积为S的物体传递的热量，负号表示热流指向x减小的方向，常数K称为导热系数，导热系数大的物体具有较好的导热性能，称为良导体。导热系数小的物体则称为不良导体。一般讲金属比非金属的导热系数大，固体比液体导热系数大，而气体导热系数最小。

在图1所示的实验装置中，被测样品的一面和冰块接触，另一面固定在蒸汽室上，两面的温度差为恒定值100℃，温度分布稳定后温度梯度， $\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}=(T2-T1)/\mathrm{dx}=(0-100)/\mathrm{dx},$ 这时冰块溶解的速率也就一定，t时间内通过横截面为S，厚度为x的物体传递的热量Q应等于冰块溶解所吸收的热量。即：Q＝ML。式中M为冰块溶解质量，L为冰的溶解热。将以上各量的表达式值代入(1)式得：

K＝4MLx/πd2t(T¹—T²)        (2)

式中d为样品的直径，x为样品的厚度，只要测量出Q，

S、t即可由(2)式求出导体导热系数K。

上述公式的单位d、x均为mm，质量M为g，时间t为秒，温度T为摄氏度。

例1：测定有机玻璃的导热系数K

取有机玻璃样品尺寸d＝80mm，x＝5mm，冰的溶解热L＝3.34×10⁵J.kg^-1，时间t＝600s，在600s内溶解冰的M为36.78g代入公式(2)中，得：

K＝4×36.78×3.34×10⁵×5/3.14×80²×600×100

 ＝245690400/1205760000＝0.20(W.m^-1.K^-1)

例2：测定橡胶的导热系数K

取样品尺寸d＝80mm，x＝5mm，冰的溶解热L＝3.34×10⁵J.kg^-1，时间t＝600s，在600s内溶解冰的质量M＝29.57g代入公式(2)中，得：

K＝4×29.57×3.34×10⁵×5/3.14×80²×600×100

 ＝0.16(W.m^-1.K^-1)

经与标准比较，有机玻璃导热系数的相对百分比误差为1.5％，橡胶的导热系数的相对百分比误差为2.5％。

从实验的结果来看，采用本实验装置测量材料的导热系数结果比较精确，实验方法比较简单，操作起来也比较容易。由于蒸汽与冰块能与样品保持良好的接触，所以，样品的表面不平整度，表面不平行度对测量结果的影响很小，加之冰溶解后的水以及蒸汽都是柔性介质能与样品很好接触，所以实验中样品和热源之间根本就不需要涂抹传热介质硅油，操作起来也清洁。传统的FD-DC-B型导热系数测量仪由于是采用铜板加热，样品的表面不平整度、不平行度以及传热介质等因素对实验结果的影响较大，所以导致实验结果的相对百分误差比该实验装置大。采用本装置不但可以测量不良导体的导热系数，而且还可以测量良导体的导热系数。所以用该装置来测材料的导热系数值得推广。

Claims (1)

1、一种材料导热系数测定装置，其特征在于：设置一个器壁及底部覆有保温材料(7)且上部开口的容器，所述容器用管道与一个蒸汽发生器(2)相连，容器的开口处放置被测材料的样块(6)，样块的上部放置冰块(5)，冰块上罩有保温杯(4)。