第十一节 中温辐射黑度测定实验

第十一节 中温辐射黑度测定实验

实际物体的发射率（黑度）与物体的表面状态（包括物体表面温度、表面粗糙度以及表面氧化层、表面杂质或涂层的存在）有关。金属的发射率随表面温度的上升而增大，而非金属的发射率一般是随表面温度的上升而减小。金属的发射率比非金属的小得多。本实验用比较法，定性地测量中温辐射时物体黑度ε。

学生根据给定的实验目的要求和实验条件，自己设计实验方案，可以进一步分析黑度与热源的温度及受体的温度的关系。本实验为设计性实验。

一、实验目的

（1）巩固和深化封闭空腔辐射换热过程的基本理论，学习用比较法测定中温辐射时物体黑度的实验方法和技能。

（2）测定50℃～150℃范围内某一温度下待测物体（受体）的黑度。

（3）确定50℃～150℃范围内待测物体（受体）的黑度与温度的变化关系。 二、实验原理

由n 个物体组成的辐射换热系统中，利用净辐射法，可以求物体I 的纯换热量Q net.i

i bi i n

j A j j ,i i i i ,e i ,abs i ,net A E dA X J Q Q Q j

εα-=-=∑⎰=1

(4-98)

式中 i ,n e t Q ——i 面的净辐射换热量，W ；

i ,abs Q ——i 面从其他表面的吸热量，W ；

i ,e Q ——i 面本身的辐射热量，W ；

i ε——i 面的黑度；

j ,i X ——j 面对i 面的角系数；

i J ——j 面有效的辐射力，W/m 2； bi E ——i 面的辐射力，W/m 2； i α—— i 面的吸收率； i A ——i 面的面积，m 2。

根据本实验的设备情况，可以认为： （1）传导圆筒2为黑体。

（2）热源1、传导圆筒2、待测物体（受体）3表面上的温度均匀（如图4-28所示）。

因此，式（4-98）可写成：

()

3333222311133A E X A E X A E Q b ,b ,b ,net εα-+= （4-99）

1—热源；2—传导圆筒；3—待测物体

图4-28 辐射换热简图

因为31A A =；33εα=；2123,,X X =，又根据角系数的互换性233322,,X A X A

=，则： )E X E X E (E )X E X E (A Q q b ,b ,b b ,b ,b ,net 321231133321231133

3

3-+=-+==

εεε W/m 2 （4-100）

由于受体3与周围环境主要以自然对流方式换热，因此：

()

f t t h q -=33 W/m 2 （4-101）

式中

h ——换热系数， W/m 2·

K ； 3t ——待测物体（受体）温度，℃； f t ——环境温度，℃。

由式（4-100）和式（4-101）得：

()3

21231133b .b .b f d E X E X E t t h -+-=ε （4-102） 当热源1和黑体圆筒2的表面温度一致时，E b 1=E b 2 ，并考虑到，体系1、2、3为封闭系统，则：

12131=+,,X X

由此，式（4-102）可写成：

()()()434133133T T σt t h E E t t h εb f b b f --=--= （4-103） 式中σb 称为斯蒂芬—波尔兹曼常数，其值为5.67×10-8w/m 2k 4。

对不同待测物体（受体）a 、b 的黑度ε为：

()()4

3413a

a b f a a a T T σT T h ε--=

()()43413b b b f b b b T T σT T h ε--=

设b a h h =, 则：

4

34

14

341433a

a b

b f b f a b a T T T T T T T T εε--⋅--= （4-104） 当b 为黑体时，εb ≈ 1，式（4-104）可写成：

4

3414

34133a

a b

b f b f a a T T T T T T T T ε--⋅--= （4-105） 三、实验装置

实验装置简图如图4-29所示。热源腔体具有一个测温电偶，传导腔体有二个热电偶，受体有一个热电偶，它们都可过琴键转换开关来切换。

四、实验方法和步骤

本实验仪器用比较法定性地测定物体的黑度，具体方法是通过对两组加热器电压的调整（热源一组，传导体一组），使热源和传导体的测量点恒定在同一温度上，然后分别将“待测”（受体为待测物体，具有原来的表面状态）和“黑体”（受体仍为待测物体，但表面薰黑）两种状态的受体在恒温条件下，测出受到辐射后的温度，就可按公式计算出待测物体的黑度。

具体步骤如下：

（1）热源腔体和受体腔体（使用具有原来表面状态的物体作为受体）靠紧传导体。 （2）接通电源，调整热源、传导左、传导右的调温旋钮，使热源温度在50℃至150℃范围内某一温度，受热约40分钟左右，通过测温转换开关及测温仪表测试热源、传导左、传导右的温度，并根据测得的温度微调相应的电压旋钮，使三点温度尽量一致。

（3）系统进入恒温后（各测温点基本接近，且在五分钟内各点温度波动小于3℃），开始测试受体温度，当受体温度五分钟内的变化小于3℃时，记下一组数据。“待测”受体实验结束。

（4）取下受体，换为黑体，然后重复以上实验，测得第二组数据。

将两组数据代入公式即可得出待测物体的黑度受ε。

1-加热指示灯；2—加热开关；3—热源测温表；4—传导体测温表；5—导轨支架； 6—接线柱；7—热源；8—传导体；9-受体；10—导轨；11—环境温度测温热电偶；

12—受体(环境)测温表；13—转换开关