《建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)綜合實驗》 教案 7-6 7.1.6中溫輻射時物體黑度測定實驗

中溫輻射時物體黑度測定實驗物體表面的黑度與物體的性質、表面狀況和溫度等因素有關，是物體本身的固有特性，與外界環(huán)境情況無關。通常物體的黑度需經(jīng)實驗測定。實驗目的①鞏固熱輻射的基本概念和基本理論，加深對黑度概念的理解。②學習法向輻射率測量儀的基本原理，掌握比較法測定物體表面黑度的實驗方法。③通過學生自主動手設計試件、測量數(shù)據(jù)、分析結果，增強學生的動手實驗能力，培養(yǎng)學生靈活運用知識的能力和創(chuàng)新思維。實驗原理用n個物體組成的輻射換熱體系中，利用凈輻射法，可以求物體的純換熱量Qnet,i，即 （1）式中——面的凈輻射換熱量，W；——面從其他表面的吸熱量，W；——面本身的輻射換熱量，W；——面的黑度；——面對面的角系數(shù)；——面的有效輻射力，W/m2；——面的輻射力，W/m2；——面的吸收率；——面面積，m2。圖1物體黑度測定實驗裝置簡圖熱源2-傳導圓簡3-待測物體本實驗設備簡圖如圖1所示，可以認為：熱源、傳熱圓筒為黑體且熱源、傳導圓簡和待測物體（受體），它們表面上的溫度均勻。因此，REF_Ref32514\h式1可以寫成 （2）因為，又根據(jù)角系數(shù)的互換性，則 = （3）由于受體與環(huán)境主要以自然對流方式傳熱，因此 （4）式中——對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；——待測物體（受體）溫度，℃；——環(huán)境溫度，℃。由REF_Ref3390\h式（3）、REF_Ref3397\h式（4）可得 （5）當熱源和黑體圓筒的表面溫度一致時，，并考慮到體系1、2、3為封閉系統(tǒng)，則 （6）由此，REF_Ref4285\h式（5）可以寫成 （7）式中——斯蒂芬-玻爾茲曼常量，=5.67×108W/（m2·K4）。對不同待測物體（受體）的黑度為設，則 （8）當為黑體時，，REF_Ref12779\h式（8）可寫成 （9）實驗系統(tǒng)及裝置實驗裝置如REF_Ref14232\h圖2所示。熱源具有一個測溫熱電偶，傳導腔體有兩個熱電偶，受體有一個熱電偶，它們都可以通過溫度測量轉換開關來切換。圖2物體黑度測定實驗裝置示意圖實驗步驟及方法本儀器用比較法定性地測定物體的黑度，具體方法是通過對三組加熱器電壓的調整（熱源一組，傳導體兩組），使熱源和傳導體的測溫點恒定在同一溫度上，然后分別將“待測”（受體為待測物體，具有原來的表面狀態(tài)）和“黑體”（受體仍為待測物體，但表面熏黑）兩種狀態(tài)的受體在相同的時間接受熱輻射，測出收到輻射后的溫度，就可按公式計算出待測物體的黑度。為了測實成功，最好在實測前對熱源和傳導體的恒溫控制方法進行1-2次探索，掌握規(guī)律后再進行正式測試。具體實驗步驟如下：①將熱源腔體和受體腔體（先用“待測”狀態(tài)的受體）對正靠近傳導體，并在受體腔體與傳導體之間插人石棉板隔熱。②接通電源，調整熱源、傳導左和傳導右的調溫旋鈕，使其相應的加熱電壓調到合適的數(shù)值。加熱30min左右，對熱源和傳導體兩側的測溫點進行監(jiān)測，根據(jù)溫度值，微調相應的加熱電壓，直至所有測點的溫度基本上穩(wěn)定在要求的溫度上。③系統(tǒng)進入恒溫后（各測點的溫度基本接近，且各測點的溫度波動小于3℃），去掉隔熱板，使受體腔體靠近傳導體，然后每隔10min對受體的溫度進行測試、記錄，測得一組數(shù)據(jù)。與此同時，要監(jiān)測熱源和傳導體的溫度，并隨時進行調整。④取下受體腔體，待受體冷卻后，用松脂(帶有松脂的松木)或蠟燭將受體表面熏黑。然后重復上述方法，對“黑體”進行測試，測得第二組數(shù)據(jù)。⑤將兩組數(shù)據(jù)進行整理后代入公式，即可得出待測物體的黑度。實驗數(shù)據(jù)記錄表1物體黑度測定實驗數(shù)據(jù)記錄表序號熱源溫度/℃?zhèn)鲗?℃受體/℃123123平均/℃序號熱源溫度/℃?zhèn)鲗?℃受體（表面熏黑）/℃123123平均/℃實驗數(shù)據(jù)處理及分析根據(jù)REF_Ref12779\h式（8），本實驗所用計算公式為 （10）式中——相對黑體的黑度，該值可假設為1；——待測物體（受體）的黑度；——受體為相對黑體時熱源的絕對溫度，K；——受體為被測物體時熱源的絕對溫度，K；——相對黑體的絕對溫度，K；——待測物體（受體）的絕對溫度，K。根據(jù)本實驗的實際情況，可以采用以下方案：對同一待測物體（受體），在完全相同條件下，進行兩次實驗。一次是將待測物體（受體）用松脂