传热学三级项目报告-物体表面黑度的测定

物体表面黑度的测定（）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（如空气时），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，并且满足一定的计算法则。为了巩固辐射换热理论，掌握用真空辐射法测定固体表面黑度的实验方法，同时分析固体表面黑度随温度的变化规律。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。前言本实验目的在于测定时间表面黑度以及黑度随温度变化关系，黑度是辐射换热的重要特性，黑度取决于物体的性质，物体的温度，表面状态，波长，方向，通过本实验的学习了解黑度概念和黑度测量，自己动手设计试件、测量数据、分析结果，增强了动手实验能力，培养灵活运用知识的能力和创新思维，采用真空辐射法测定固体黑度的实验方法，根据公式及日常经验预测试件表面黑度随温度升高呈上升趋势。实验仪器及原理分析本试验主要使用的仪器是我校自主研制并制作的物体黑度测定仪，其主要原理是传热学中辐射换热——非凹表面置于凹表面空腔中的相关理论，该实验需要试件与装置温度达到相应稳定的状态下去测量与记录，所以会花费较多的时间使相应的数据达到稳定值，在这个过程中，培养了我们务实、严谨与耐心的相关实验精神，对以后的相关实验的进行很有意义，下面就对该项目的相关仪器及理论做如下详细说明。实验设备介绍实验设备由黑度测试仪本体及三个系统组成，三个系统分别为：⑴、加热系统：包括电加热器、电流表、电压表、调压阀、稳压集成块。⑵、真空系统：包括真空泵、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：包括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φ25mm,管长270mm，外壳的内径ψ99mm，管长270mm。图1-1为实验装置示意图。图1-1实验装置示意图图1-2实验装置图实验原理分析图1-1实验装置示意图图1-2实验装置图当一个物体放在另一物体的空箱内，且空箱内不存在吸收热辐射的介质时（如空气），彼此以辐射换热形式进行热交换，其辐射量为：图1-3两物体表面间辐射换热图1-3两物体表面间辐射换热F2F1·············eq\o\ac(○,1)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/m²K^4；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。如果F1、F2为已知，通过实验测量Q12、T1、T2，根据式eq\o\ac(○,1)，试件外表面黑度ε1即可由下式算出·····eq\o\ac(○,2)实验试件及过程试验试件设计图2-1实验试件三维设计图我小组根据实验原理及试验要求，设计试验试件如图2-1、图2-2。图2-1实验试件三维设计图图2-2实验试件二维工程图图2-2实验试件二维工程图实验步骤⑴、用游标卡尺等工具测定并记录试件的几何参数：试件外径为d1，管长L1，外壳内径为d2，管长L2,右端开口长度d3，开口半圆半径R3。⑵、将试件装入实验设备中：用扳手将左侧密封盖打开，将热电偶测温点固定在试件上，然后将试件穿过加热棒固定，最后用密封盖密封。与此同时连接好相关的仪表仪器，做好准备工作。⑶、开启真空泵，打开真空保持阀，观察真空表，系统中形成真空后先关闭真空阀，再关闭真空泵。开启加热电源，调整调压旋钮，将电压调到预设初值。经过一段时间（一般2个小时），观察温度表，待温度基本不再变化时，记录温度及电加热器的电流电压等数据。⑸、数据测定，每间隔2个小时记录温度，电流和电压数据。有的实验设备密封性不好，测完数据后，再抽一次气，使空腔内保持真空状态。⑷、测完所有数据后，关闭加热电源，打开通大气阀，使空腔通大气散热。⑹、实验完毕，用扳手将左端密封盖卸下，实验刚做完时，试件温度很高，等到试件温度降到常温时，缓慢将试件取出，卸下热电偶，再将试件放回原位，最后整理好试验现场。⑺、对数据进行分析、整理和归纳，制作曲线图找出规律。实验数据记录及分析经过近一天的实验，我们获取了相关的实验数据，并将相关数据与材料相同的小组进行对比，初步确定数据的正误，为下一步的工作做好准备，下面是我们小组以及与我们相对应的小组记录的相关数据以及相应的分析。实验数据记录表3-1为我小组记录的实验数据。表3-1物体表面黑度测量数据记录表序号材料UIT1T2ε2ε1VA℃℃12345678910实验数据分析根据以上数据画出黑度与工件外表面温度的折线图（表3-2）。由图可看出黑度与工件外表面的关系。总体上黑度随表面温度的升高而降低，60℃到80℃变化明显，当温度大于80℃小于100℃时变化不大，基本持平，100℃到120℃有轻微上升，大于120℃时黑度下降虽然有一定的波动，但整体上还是呈现下降趋势。实验结果及感想我们通过实验结果分析发现，物体处理表面的黑度随着温度的升高而降低。通过本次物体黑度的测定实验，加深了我们对物体表面间的辐射换热理论的理解，使我们了解了物体的热学特性和物体表面黑度与表面温度的关系及变化趋势，增强了我们的动手能力，锻炼了用实验自主去解决问题的意识与能力，在该过程中，我们采用了分工合作的方式进行全过程的实验与研究，首先，小组成员集体进行试件的安装及装置的调试工作，在各自安排的时间去记录数据。最后，集体拆装，并将相关工具、试件放回原处，王政主要负责报告说明书的撰写，王宏博主要负责实验数据的处理，路彦辉、张雨生、刘琼负责汇报PPT的制作、讲解，张帆负责试件相关图纸的绘制，各自完成相应任务后，小组内成员采用交叉互换的方式，对各自工作进行校核与审阅，并经讨论后确定最终的相关材料。在这个过程中，我们培养了团队合作精神，认识到了团队合作的精神和科学的严谨性，并培养了我们灵活运用知识的能力和创新思维。黑度是衡量物体表面辐射换热能力的一个重要指标，在工业生产中广泛应用，了解和掌握这一知识对我们以后十分重要，在这里也感谢指导老师对我们的细心指导。参考文献[1],张兴中，黄文，刘庆国,传热学.北京：国防工业出版社，201