TW-RG734球体法测粒状材料的导热系数实验台
探索材料导热奥秘：TW-RG734球体法测粒状材料导热系数实验台
在热工实验室中，有一款设备能够让学生直观观察粒状材料的导热过程，它就是TW-RG734球体法导热系数实验台。
作为热工课程的教学设备，TW-RG734球体法测粒状材料导热系数实验台是我们职业院校热工实验室中的重要装置之一。它能够帮助学生深入理解稳态导热过程的基本理论，掌握粒状材料导热系数的测定方法。
今天，我将带领大家详细了解这款实验台的原理、功能及教学应用。
01 实验目的与原理
在热工类课程的教学中，导热系数的测定是一项基础而重要的实验内容。对于粒状、粉状及纤维状材料而言，球体法是一种有效的测量方法。
这款实验台应用圆球法测量物质导热系数，基于沿球壁半径方向三向度稳定导热的基本原理，对颗粒及粉末状材料进行导热系数的试验测定。
球体法是以同心球壁稳定导热规律作为基础的。在球坐标中，考虑到温度仅随半径r而变，故是一维稳定温度场导热。
实验时，在两个同心圆球的圆壳之间均匀充填被测材料，内球中装有电加热元件。在稳定导热条件下，测定被测试材料两边（即内外球壁）的温度以及通过的热流，就可以计算出材料的导热系数。
根据傅里叶导热定律应用于球壁的特定形式，可以通过以下公式计算导热系数：
其中，为导热系数，Q为加热功率，d₁、d₂分别为内外球直径，t₁、t₂分别为内外球表面温度。
02 实验台结构与配置
TW-RG734实验台设计合理，结构紧凑，集成了多种测量与控制模块，便于学生进行实验操作和数据采集。
主要配置包括热源球（Φ80不锈钢）、保温球（Φ150不锈钢）、测温热电偶、调温加热装置（100W）、球体保温箱（保温材料）、数显测温仪表。
实验台采用直流稳压可调电源供电加热，数显电压表和电流表显示加热功率。
加热球体和冷却球体各有4对温度传感器测试平均温度，温度由8路万能信号输入巡检仪循环显示。整体采用不锈钢台架及控制屏等设计，美观耐用。
技术参数方面，实验台输入电源为单相AC220V±10% 50Hz，功率100W。热源球为Φ80不锈钢球体，内置100W直流加热器。
稳压电源规格为0-50V、0-5A高精度直流电源，确保加热过程的稳定性。外形尺寸为1000×400×500mm，适合实验室环境使用。
03 实验步骤与操作方法
在实验教学过程中，合理的步骤安排是确保实验成功的关键。以下是使用TW-RG734实验台进行测定的基本步骤：
① 样品准备与装填：首先选择需要测量的粒状材料，如沙子、矿渣、石灰等，将其均匀填充在两个球壳之间的空间中。确保材料填充均匀，无空洞，以保证导热的一致性。
② 系统启动：开启电源，调整稳压电源输出，给内球中的电加热器供电。内球发热后，热量会通过被测材料向外球传导。
③ 稳态判定与数据记录：观察温度巡检仪的显示值，当内外球壁各测点温度达到稳定状态（即温度读数不再随时间变化）时，记录内外球壁的温度以及加热电压和电流值。
④ 改变工况重复实验：调整加热功率，改变工况，重复上述测量过程，获得不同温度条件下的实验数据。
实验过程中，学生需要学会使用电位差计测量热电偶信号，切换琴键开关，记录多点温度数据，并读取电压、电流数值。通过这些操作，能够全面培养学生的仪器使用和数据处理能力。
04 数据处理与分析
实验数据的处理与分析是培养学生科学素养的重要环节。根据球体法测量导热系数的计算公式，学生需要将记录的多组数据代入公式，计算不同工况下的导热系数值。
特别是，通过改变加热器热量工况，整理实验数据，学生可以绘制出材料的导热系数与温度关系曲线。
这一过程能够让学生直观理解材料导热系数随温度变化的规律，加深对材料热物性影响因素的认知。
在实验中，学生会观察到外球壳表面的下部和上部由于空气自由对流情况不同，表面温度分布并不完全均匀。
因此内外球壳表面上分别设置多对热电偶测量温度，取平均值作为内外球壁表面温度。这种设计让学生理解了在实际测量中如何减少误差，提高测量精度。
05 教学应用与技能培养
TW-RG734实验台在职业院校的教学中具有重要价值，它能够帮助学生加深对稳态导热过程基本理论的理解。
通过亲手操作实验，学生能够掌握球壁导热仪测定隔热材料导热系数的方法和技能，学会确定材料的导热系数与温度的关系。
此外，学生还能培养根据材料导热系数判断其导热能力并进行导热计算的能力。
这些技能对于未来从事能源、建筑、材料等领域工作的职业院校学生来说，是至关重要的工程实践基础。
值得注意的是，我国已有相应的国家标准GB/T 11833-2014《绝热材料稳态传热性质的测定圆球法》。
该标准规定了使用圆球装置测定颗粒状或粉状材料稳态传热性质的方法，适用于表观导热系数范围为（0.02~1.00）W/(m·K)干燥材料传热性质的测定。
在教学中引入国家标准的要求，有助于培养学生标准化、规范化的实验意识。
将TW-RG734实验台应用于教学，不仅使学生掌握了导热系数的测定方法，更培养了他们的工程实践能力和标准化意识。
在实验过程中，学生经常会惊讶地发现，同样的材料在不同温度下导热性能竟有如此差异——这一发现往往成为他们深入探索材料热物性世界的起点。
作为职业教育工作者，我们深知这样的实验体验，比任何理论说教都更加有力。
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