锈蚀钢传热学三级项目.docx

传热学三级项目

研究项目：锈蚀钢表面黑度的测量
所在班级：机电3班
指导教师：金昕
小组成员：吕青卓、杜家正、范忠康
完成时间：2016/11/25

摘要
（1）什么是黑度？
在一定温度下，将灰体（实际物体）的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比定义为物体的黑度，或物体的发射率，用ε表示。
（2） 测量黑度的意义？
热力设备和或管道表面温度和使用的外护材料黑度有关，由此衍生出来的林格曼黑度在锅炉检测和环境检测上也有很广泛的应用。因此对物体表面黑度的测量是有实际意义的。
通过辐射换热理论用真空辐射法测定普通钢管表面黑度，并分析固体表面黑度随温度的变化规律。把普通钢管放在真空的热电偶中，调节电压对钢管进行加热，记录试件外表面和外壳内表面的温度及电压电流数值，分析实验数据得出试件外表面温度越高，黑度越低，分析实验误差对结果的影响加深对物体黑度的认识。

前言
本实验的目的在于分析固体表面黑度随温度变化的规律，巩固辐射换热理论，掌握用真空辐射法测定固体表面黑度的试验方法，通过实验测量的方法，分别测出辐射换热面的温度，并根据加热电流和电压求出换热量Q，带入相应公式进行验证求出样品的黑度。同时得到黑度与样品温度的关系。最后得到样品的黑度是随温度变化的，但它总是不超过1，且随着样品温度的升高样品的黑度减小。

正文
1.实验设备介绍及实验原理分析
设备介绍

实验设备由黑度测试仪本体及三个系统组成： 
⑴加热系统：电加热器、电流表、电压表、调压阀、稳压集成块。
⑵真空系统：真空泵、真空保持阀、真空表、大气阀以及密封装置。
⑶热电偶测温系统：外壳及试件上的热电偶、数显温度表。
本体是由空心圆柱管的试件套在加热棒上，放置于不锈钢外壳中间，两端密封而成。试件的外径φ25.16mm,管长270mm，外壳的内径ψ99.04mm，管长270mm。
实验原理分析
当一个物体放在另一个物体的空腔内，且内空腔不存在吸收热辐射的介质，彼此以辐射换热方式进行热交换。它们之间的辐射换热量与两者的温度和辐射面积都有关系，并且满足以下公式：

式中：F1——试件外表面积（m²）;
F2——外壳内表面积（m²）；
C0——黑体辐射系数，C0=5.67W/m²K4；
T1、T2——分别为试件外表面和外壳内表面的绝对温度,K；
ε1、ε2——分别为试件外表面和外壳表面的黑度。
（本实验装置的外壳内表面黑度取ε2=0.6。可以稍作改动来修正实验的结果）
2、 实验试件测绘的三维图
实际试件如图：

试件结构三维模型如下：

试件二维工程图如下：

3、 实验步骤介绍
1）将所用的仪器及测量仪器按图1连接好，经指导老师同意，开启电源。
2）开启真空泵，打开真空保持阀，使系统中形成真空。观察真空表，系统中形成真空后可以关闭真空泵。开启加热电源，调整调压旋钮，将电压调到预设初值。
3）经过一段时间，观察温度表，待温度基本不再变化时记录第一组温度及电加热器的电压电流。
4）改变电压器的电压，待各点温度达到新的稳定状态后，记录第二组数据。重复第四项，然后记录第三组数据。
5）打开通大气阀，使空腔内通大气散热。最后实验毕，切断电源，整理好实验现场。
4、 实验数据及实验结果

材料
序号
U
I
T1
T2
ἐ1
V
A
℃
℃
生锈
1
16
0.23
51
29
1.215
2
20
0.29
54
30
1.779
3
25
0.36
86
37
1.079
4
28
0.4
101
40
0.988
5
32
0.42
120
45
0.861
6
36
0.5
136
50
0.923

曲线如下图

5、 实验结果分析
实验结果和数据处理可得出以下结论：理论上实验测试的试件表面黑度在试验温度范围内60℃—160℃内随温度上升呈波动状变化，但并非周期性波动。随温度升高试件表面黑度波动幅值变小并有向某一确定值靠近的趋势。但由于存在误差，实验测量表明试件表面黑度随温度上升呈现下降趋势，并且下降趋势的快慢随着材料的不同而不同。
6、 实验误差分析
（1）实验仪器本身由于精密程度的限制及测量原理的约束可能存在一定的系统误差。
（2）环境温度会对实验测量产生一些影响。
（3）真空条件不能百分之百保证，会造成测量误差。
（4）达到稳态所需时间太长，测量时系统还未达到稳态，产生误差。
（5）电压的调节误差及电流的读数误差。
7、 结论
本次三级项目我们的主要工作是对空心圆柱管的拆卸及测量。主要是对试件外径、长度和外壳的内径、长度的测量，这四个量是我们计算物体表面黑度的重要参数。在一定温度下，将灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比定义为物体的黑度，用ε表示。主要结果是观察物体表面黑度与温度T1的变化规律。我们发现随温度升高试件表面黑度波动幅值变小并有向某一确定值靠近的趋势。但由于存在误差，实验测量表明试件表面黑度随温度上升呈现下降趋势，并且下降趋势的快慢随着材料的不同而不同。

主要参考文献
参考文献：《传热学》 张兴中 黄文 刘庆国 著
《传热学实验指导书》 吴玉娟 张岩岩 编写
百度百科《黑度》