TW-RG734球體法測粒狀材料的導熱系數(shù)實驗臺
探索材料導熱奧秘：TW-RG734球體法測粒狀材料導熱系數(shù)實驗臺
在熱工實驗室中，有一款設備能夠讓學生直觀觀察粒狀材料的導熱過程，它就是TW-RG734球體法導熱系數(shù)實驗臺。
作為熱工課程的教學設備，TW-RG734球體法測粒狀材料導熱系數(shù)實驗臺是我們職業(yè)院校熱工實驗室中的重要裝置之一。它能夠幫助學生深入理解穩(wěn)態(tài)導熱過程的基本理論，掌握粒狀材料導熱系數(shù)的測定方法。
今天，我將帶領大家詳細了解這款實驗臺的原理、功能及教學應用。
01 實驗目的與原理
在熱工類課程的教學中，導熱系數(shù)的測定是一項基礎而重要的實驗內(nèi)容。對于粒狀、粉狀及纖維狀材料而言，球體法是一種有效的測量方法。
這款實驗臺應用圓球法測量物質(zhì)導熱系數(shù)，基于沿球壁半徑方向三向度穩(wěn)定導熱的基本原理，對顆粒及粉末狀材料進行導熱系數(shù)的試驗測定。
球體法是以同心球壁穩(wěn)定導熱規(guī)律作為基礎的。在球坐標中，考慮到溫度僅隨半徑r而變，故是一維穩(wěn)定溫度場導熱。
實驗時，在兩個同心圓球的圓殼之間均勻充填被測材料，內(nèi)球中裝有電加熱元件。在穩(wěn)定導熱條件下，測定被測試材料兩邊（即內(nèi)外球壁）的溫度以及通過的熱流，就可以計算出材料的導熱系數(shù)。
根據(jù)傅里葉導熱定律應用于球壁的特定形式，可以通過以下公式計算導熱系數(shù)：
其中，為導熱系數(shù)，Q為加熱功率，d?、d?分別為內(nèi)外球直徑，t?、t?分別為內(nèi)外球表面溫度。
02 實驗臺結(jié)構(gòu)與配置
TW-RG734實驗臺設計合理，結(jié)構(gòu)緊湊，集成了多種測量與控制模塊，便于學生進行實驗操作和數(shù)據(jù)采集。
主要配置包括熱源球（Φ80不銹鋼）、保溫球（Φ150不銹鋼）、測溫熱電偶、調(diào)溫加熱裝置（100W）、球體保溫箱（保溫材料）、數(shù)顯測溫儀表。
實驗臺采用直流穩(wěn)壓可調(diào)電源供電加熱，數(shù)顯電壓表和電流表顯示加熱功率。
加熱球體和冷卻球體各有4對溫度傳感器測試平均溫度，溫度由8路萬能信號輸入巡檢儀循環(huán)顯示。整體采用不銹鋼臺架及控制屏等設計，美觀耐用。
技術(shù)參數(shù)方面，實驗臺輸入電源為單相AC220V±10% 50Hz，功率100W。熱源球為Φ80不銹鋼球體，內(nèi)置100W直流加熱器。
穩(wěn)壓電源規(guī)格為0-50V、0-5A高精度直流電源，確保加熱過程的穩(wěn)定性。外形尺寸為1000×400×500mm，適合實驗室環(huán)境使用。
03 實驗步驟與操作方法
在實驗教學過程中，合理的步驟安排是確保實驗成功的關鍵。以下是使用TW-RG734實驗臺進行測定的基本步驟：
① 樣品準備與裝填：首先選擇需要測量的粒狀材料，如沙子、礦渣、石灰等，將其均勻填充在兩個球殼之間的空間中。確保材料填充均勻，無空洞，以保證導熱的一致性。
② 系統(tǒng)啟動：開啟電源，調(diào)整穩(wěn)壓電源輸出，給內(nèi)球中的電加熱器供電。內(nèi)球發(fā)熱后，熱量會通過被測材料向外球傳導。
③ 穩(wěn)態(tài)判定與數(shù)據(jù)記錄：觀察溫度巡檢儀的顯示值，當內(nèi)外球壁各測點溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)（即溫度讀數(shù)不再隨時間變化）時，記錄內(nèi)外球壁的溫度以及加熱電壓和電流值。
④ 改變工況重復實驗：調(diào)整加熱功率，改變工況，重復上述測量過程，獲得不同溫度條件下的實驗數(shù)據(jù)。
實驗過程中，學生需要學會使用電位差計測量熱電偶信號，切換琴鍵開關，記錄多點溫度數(shù)據(jù)，并讀取電壓、電流數(shù)值。通過這些操作，能夠全面培養(yǎng)學生的儀器使用和數(shù)據(jù)處理能力。
04 數(shù)據(jù)處理與分析
實驗數(shù)據(jù)的處理與分析是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)球體法測量導熱系數(shù)的計算公式，學生需要將記錄的多組數(shù)據(jù)代入公式，計算不同工況下的導熱系數(shù)值。
特別是，通過改變加熱器熱量工況，整理實驗數(shù)據(jù)，學生可以繪制出材料的導熱系數(shù)與溫度關系曲線。
這一過程能夠讓學生直觀理解材料導熱系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律，加深對材料熱物性影響因素的認知。
在實驗中，學生會觀察到外球殼表面的下部和上部由于空氣自由對流情況不同，表面溫度分布并不完全均勻。
因此內(nèi)外球殼表面上分別設置多對熱電偶測量溫度，取平均值作為內(nèi)外球壁表面溫度。這種設計讓學生理解了在實際測量中如何減少誤差，提高測量精度。
05 教學應用與技能培養(yǎng)
TW-RG734實驗臺在職業(yè)院校的教學中具有重要價值，它能夠幫助學生加深對穩(wěn)態(tài)導熱過程基本理論的理解。
通過親手操作實驗，學生能夠掌握球壁導熱儀測定隔熱材料導熱系數(shù)的方法和技能，學會確定材料的導熱系數(shù)與溫度的關系。
此外，學生還能培養(yǎng)根據(jù)材料導熱系數(shù)判斷其導熱能力并進行導熱計算的能力。
這些技能對于未來從事能源、建筑、材料等領域工作的職業(yè)院校學生來說，是至關重要的工程實踐基礎。
值得注意的是，我國已有相應的國家標準GB/T 11833-2014《絕熱材料穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定圓球法》。
該標準規(guī)定了使用圓球裝置測定顆粒狀或粉狀材料穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的方法，適用于表觀導熱系數(shù)范圍為（0.02~1.00）W/(m·K)干燥材料傳熱性質(zhì)的測定。
在教學中引入國家標準的要求，有助于培養(yǎng)學生標準化、規(guī)范化的實驗意識。
將TW-RG734實驗臺應用于教學，不僅使學生掌握了導熱系數(shù)的測定方法，更培養(yǎng)了他們的工程實踐能力和標準化意識。
在實驗過程中，學生經(jīng)常會驚訝地發(fā)現(xiàn)，同樣的材料在不同溫度下導熱性能竟有如此差異——這一發(fā)現(xiàn)往往成為他們深入探索材料熱物性世界的起點。
作為職業(yè)教育工作者，我們深知這樣的實驗體驗，比任何理論說教都更加有力。
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