TW-RG705稳态平板法测定绝热材料导热系数实验装置

稳态平板法测定绝热材料导热系数实验教学与实践

掌握导热系数测定技术，理解材料热物性

在传热学实验教学中，测定绝热材料的导热系数是一项基础而重要的实验内容。TW-RG705稳态平板法测定绝热材料导热系数实验装置正是为此设计的一款教学设备，通过它可以直观验证导热基本定律，掌握热物性测量方法，培养实验技能与科学思维。

实验基本原理

稳态平板法是基于一维稳态导热过程的基本原理测定材料导热系数的方法。

根据傅里叶定律，在一维稳态导热情况下，通过薄壁平板的导热量Q与平板两面的温差Δt成正比，与平板厚度δ成反比，与材料的导热系数λ成正比。其数学表达式为：

Q = λ•Δt•F/δ

其中，Q为导热量（W）；λ为导热系数（W/m•℃）；Δt为平板两面温差（℃）；F为垂直热流方向的导热面积（m²）；δ为平板厚度（m）。

测定这些参数后，可计算出材料的导热系数：

λ = Q•δ/(Δt•F)

需要特别说明的是，这样得到的导热系数是材料在平均温度t = (t_R + t_L)/2下的导热系数值。通过在不同平均温度条件下测量一系列λ值，可以进一步确定导热系数与温度的关系曲线λ=f(t)，这对于理解材料热性能随温度变化的规律具有重要意义。

TW-RG705实验装置结构

TW-RG705实验装置采用精密机械设计与智能控制系统，确保了实验数据的准确性和可靠性。

核心组件包括：

• 加热系统：主加热器布置在中央部位，周围设有四个辅助加热器，通过专用的温度跟踪控制器使主加热器以外的四周保持与中间主加热器的温度相一致，防止热流量向旁侧散失。这种设计确保了一维导热条件的实现。

• 冷却系统：上下水套的冷却面通过循环冷却水实现，将热量带走。

• 测量系统：采用热电偶测温，主加热器的中心温度和水套冷面的中心温度用多个热电偶埋设在铜板上来测量。主加热器的电功率可以用电压表和电流表测量。

• 试件安装系统：两块方形薄壁平板试件被夹紧在加热器的上下热面和上下水套的冷面之间，接触面设有铜板以确保温度分布均匀。

该装置的实际导热计算面积通常为200×200mm²，试件厚度可实测，主加热器电阻约为100Ω，试件最高加热温度一般不超过80℃。

实验步骤与操作要点

为确保实验顺利进行并获取准确数据，需遵循以下步骤：

1. 试件安装：将两个平板试件仔细安装在加热器的上下两面，确保试件表面与铜板严密接触，不应有空隙。安装到位后，应在上面施加一定重物，使各部件紧密接触。

2. 系统检查：连接各电路，将热电偶导线接到对应的接线端子上。打开总电源开关，检查各热电偶信号是否正常。打开水泵开关，检查冷却水通路工作状态。

3. 加热过程：接通主加热器电源，调节到合适电压（建议由低至高间隔5V或10V逐渐分段加热）。然后开启辅助加热器电源，使辅助加热器电压与主加热器电压接近。严禁一次性加温超过75℃。

4. 温度跟踪：观察辅助加热面温度是否与主加热面温度一致，适当调整辅助加热器电压，使主、辅加热温度相一致，确保一维传热条件。

5. 数据记录：待温度基本稳定后，每隔一段时间进行一次电功率和温度测量，记录热面温度tR、冷面温度tL、主加热器电压U和电流I等数据。

6. 实验结束：测试完成后，先切断加热器电源，经过约10分钟再关闭水泵。

数据处理与误差分析

实验数据的处理与分析是实验教学的重要环节：

导热系数计算：根据公式λ = Q•δ/(Δt•F)计算导热系数，其中Q = U•I（主加热器电功率），Δt = t_R - t_L（试件两面温差）。

温度关系确定：计算平均温度t = (t_R + t_L)/2，将不同平均温度下测定的材料导热系数在λ-t坐标中绘制关系曲线，分析导热系数随温度变化的规律。

误差控制：传统稳态平板法实验台存在稳定时间长、精度低的问题，而优化后的实验台通过改进热保护电气控制系统、水冷系统、热功率测量系统等，可使测量精度提高5.5%，稳定时间缩短50%以上。

近年来，研究者提出了"等温绝热法"来测量散热速率，利用Excel图表对数据进行二次曲线拟合，再对所得二次函数求导，得到稳态时的温度变化率，有效减小了测量误差。

实验教学意义

稳态平板法测定绝热材料导热系数实验在热工类课程教学中具有重要价值：

该实验能帮助学生巩固和深化稳态导热过程的基本理论，学习测定导热系数的实验方法和技能，并掌握误差分析方法。

通过亲自动手操作，学生能够直观理解一维稳态导热规律，掌握温度测量、功率控制及数据处理等实用工程技能。

在职业院校教学中，我们鼓励学生通过分组方式制备不同测试样品，通过组内合作讨论和组间参数交流，既能锻炼学生的逻辑思维和创新实践能力，也能提升实验教学效果。

结语

TW-RG705稳态平板法测定绝热材料导热系数实验装置是热工实验教学中的重要设备，通过它可以让学生直观理解导热规律，掌握热物性测量方法，培养严谨的科学态度和实验技能。

在实验过程中，我们特别强调操作规范性和数据分析的科学性，这些能力对学生未来从事热能工程、建筑材料、节能技术等领域的工作都具有重要基础意义。

作为职业院校的教师，我们应充分利用这类实验设备，将理论教学与实践能力培养紧密结合，为学生职业发展奠定坚实基础。

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