材料加工工程傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

《材料加工工程傳熱學(xué)》實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟牧霞庸すこ虒?zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)傳熱學(xué)主要應(yīng)掌握傳熱的三種基本形式、鋼的加熱工藝、加熱設(shè)備等內(nèi)容，其中，利用數(shù)學(xué)分析法和數(shù)值解法求解不穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱時(shí)鋼材內(nèi)部溫度場(chǎng)方面的內(nèi)容十分難于理解，但該部分內(nèi)容又十分重要，故針對(duì)這部分內(nèi)容安排一個(gè)實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生加強(qiáng)理解這部分的難點(diǎn)內(nèi)容。在科研和實(shí)際生產(chǎn)中，材料加工工程專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員經(jīng)常會(huì)遇到測(cè)試和計(jì)算各種斷面形狀的鋼材在各種環(huán)境中的加熱或冷卻速度、溫度等問(wèn)題，而計(jì)算鋼材內(nèi)部溫度場(chǎng)就必須測(cè)試鋼材與外部環(huán)境之間的綜合給熱系數(shù)，本實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生熟練掌握測(cè)試綜合給熱系數(shù)的原理、步驟和數(shù)據(jù)處理方法。此外，完成本實(shí)驗(yàn)還可以提高學(xué)生動(dòng)手能力，理解和運(yùn)用高級(jí)語(yǔ)言編程能力以及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)的科學(xué)分析能力。實(shí)驗(yàn)原理被加熱或被冷卻的工件與其周?chē)h(huán)境間存在溫度差別時(shí)，工件即與周?chē)h(huán)境發(fā)生熱量傳遞，熱量傳遞方式包括對(duì)流換熱和輻射換熱。在對(duì)流換熱情況下，單位面積的換熱量qc正比于工件表面溫度Ts與周?chē)h(huán)境溫度Ta之差，換熱量與溫差成線(xiàn)性關(guān)系式中αc為對(duì)流換熱系數(shù)。在輻射換熱情況下，單位面積的換熱量qr與溫差成非線(xiàn)性關(guān)系式中σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，ε為輻射率。當(dāng)工件表面與周?chē)h(huán)境間同時(shí)存在對(duì)流換熱和輻射換熱時(shí)，單位面積總換熱量可表達(dá)成圖1近表面兩點(diǎn)直接測(cè)定對(duì)流給熱系數(shù)△rA圖1近表面兩點(diǎn)直接測(cè)定對(duì)流給熱系數(shù)△rATaBTbOT0z△r/2近表面溫度直測(cè)法將熱電偶點(diǎn)焊在近表面測(cè)點(diǎn)A、B處（如圖1所示），記錄不同時(shí)刻的溫度變化（Ta、Tb）。這就知道了表面溫度隨時(shí)間的變化，以及溫度沿截面的分布，即溫度梯度，由此即可求出通過(guò)表面的熱流密度q，再根據(jù)牛頓公式即可求出各時(shí)刻的綜合換熱系數(shù)α。發(fā)生輻射及對(duì)流換熱時(shí)，由微元體右側(cè)流入微元體的熱量為：由微元體左側(cè)流出微元體的熱量為：經(jīng)過(guò)時(shí)間后，微元體蓄積的熱量為：根據(jù)能量守恒原理有：，由此推出（5）式中：m為圓周方向的等分?jǐn)?shù)；為某一時(shí)刻近表面兩點(diǎn)的溫度差，加熱時(shí)取，冷卻時(shí)?。粸楸砻纥c(diǎn)A于前后兩時(shí)刻間的溫度差，加熱時(shí)取，冷卻時(shí)取。非線(xiàn)性估算法近表面溫度直測(cè)法適合于空冷、爐冷、隨爐加熱等溫度變化較為緩慢的條件，溫度變化較大時(shí)，受測(cè)量精度限制，誤差較大。此時(shí)，可采用非線(xiàn)性估算法反推出綜合換熱系數(shù)。這種方法的指導(dǎo)思想是：設(shè)定表面換熱系數(shù)，推算內(nèi)部測(cè)點(diǎn)溫度，根據(jù)推算值與測(cè)定值之間的差值不斷修正設(shè)定的表面換熱系數(shù)，使得推算值不斷逼進(jìn)測(cè)定值，直至相等，此時(shí)的表面換熱系數(shù)即為實(shí)際表面換熱系數(shù)。根據(jù)表面換熱系數(shù)，推算內(nèi)部測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)，可采用差分方程，為簡(jiǎn)單方便，本實(shí)驗(yàn)采用顯式差分方程，差分方程的推導(dǎo)過(guò)程可參見(jiàn)相關(guān)資料[1]，這里只給出微分方程和差分方程。不考慮內(nèi)熱源時(shí)，圓柱坐標(biāo)系下，一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程為（6）根據(jù)能量守恒原理或?qū)嵛⒎址匠炭傻玫讲罘址匠虨閷?duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)：（7）對(duì)邊界節(jié)點(diǎn)：（8）對(duì)中心節(jié)點(diǎn)：（9）圖2利用內(nèi)部測(cè)點(diǎn)反推表面換熱系數(shù)△圖2利用內(nèi)部測(cè)點(diǎn)反推表面換熱系數(shù)△rbA,TaBB1B2推算出圓鋼內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)溫度值后，再根據(jù)測(cè)定臨近兩節(jié)點(diǎn)的溫度推算測(cè)定的溫度值，如圖2所示，B點(diǎn)溫度等于實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料（1）普通電阻加熱爐，可將鋼棒加熱到800℃，爐膛空間不小于120×120×240mm（2）熱電偶：K型，φ2~3mm，長(zhǎng)度大于1.2m，要求套圓形雙孔絕緣磁珠，磁珠外徑不大于6mm，12支。（3）鋼棒：45＃鋼，軋態(tài)，外形尺寸：φ80~φ100×160～200mm（4）測(cè)溫儀：數(shù)字顯示式，量程400~1200℃，4（5）電扇：普通民用電扇，2個(gè)。（6）噴霧器：4個(gè)（7）其它：耐火泥1Kg，鉆頭φ4~8實(shí)驗(yàn)步驟準(zhǔn)備φ80~φ100×160～200mm的45＃圓鋼，在圓鋼端部距離外表面為△rb的位置鉆孔，孔深接近圓鋼中心部位，如圖3所示。將K型熱電偶插入孔內(nèi)，注意熱電偶端頭應(yīng)與鋼基體接觸，然后用耐火泥封堵圓鋼的兩端，如需多個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)，可在相應(yīng)位置插放多個(gè)熱電偶。將熱電偶的另一端與測(cè)溫儀表的輸入端相接。將室狀爐爐溫升到預(yù)定溫度，本實(shí)驗(yàn)中可將爐子升到500～800℃。先接通測(cè)溫儀表電源，調(diào)解零位，測(cè)定入爐前圓鋼的溫度，并記錄。將圓鋼放入爐中進(jìn)行加熱，加熱過(guò)程中，每間隔一定時(shí)間記錄一次測(cè)點(diǎn)溫度值（例如每隔30秒記錄一次），也可采用計(jì)算機(jī)直接記錄測(cè)點(diǎn)溫度變化。測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到指定值后，將圓鋼從爐中取出，首先在空氣中冷卻，同樣，每間隔一定時(shí)間，記錄一次測(cè)點(diǎn)溫度值。圖3測(cè)定圓鋼表面換熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖1耐火材料；245＃圓鋼；3熱電偶；4測(cè)溫儀表3△r圖3測(cè)定圓鋼表面換熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖1耐火材料；245＃圓鋼；3熱電偶；4測(cè)溫儀表3△rb123CTB4B加熱空冷加熱空冷吹風(fēng)噴霧時(shí)間/s溫度/℃1002003004005000圖4實(shí)測(cè)的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)根據(jù)所測(cè)溫度值繪制溫度-時(shí)間曲線(xiàn)，曲線(xiàn)形狀應(yīng)如圖4所示。根據(jù)非線(xiàn)性估算法計(jì)算表面換熱系數(shù)根據(jù)非線(xiàn)性估算法編制計(jì)算程序反推表面換熱系數(shù)，計(jì)算程序可以采用FORTRAN、C、Matlab等語(yǔ)言編制。本實(shí)驗(yàn)中，采用Matlab語(yǔ)言編制計(jì)算溫度及反推對(duì)流給熱系數(shù)的程序。思考題實(shí)驗(yàn)測(cè)得的表面換熱系數(shù)包括哪兩部分換熱？實(shí)驗(yàn)過(guò)程中哪