传热学报告

《传热学》三级项目报告书
钢生锈表面黑度测量
姓名：
课程名称：传热学
指导教师：金昕
2013年6月
固体表面黑度的测定
摘要：
通过课上老师讲解，我们了解到实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比称为实际物体的黑度。

为了测量固体表面黑度，首先设计一个已知外表面积的工件，将其放入不存在吸收热辐射介质的空腔内（实验中为真空中的系统），测出换热量，通
过调节试件外表面的温度，研究试件表面黑度随温度的变化，再通过对实验数据的分析整理，计算出黑度，通过图像处理，得到固体表面黑度随温度的变化规律，进一步加深了对黑度的认识。

前言：
本项目目的在于熟悉物体表面黑度的测试原理；熟练应用三维设计软件对实验试件的设计；分析影响物体表面黑度的因素；了解实验原理，并对实验设备进行拆装，学会使用各种测试仪表进行测试；提高学生的动手能力、理论联系实际能力和团队的协作能力；得到查阅文献、阅读相关技术资料和调查研究能力的训炼；通过研究报告的撰写使学生在科技文献写作方面获得训练。

本项目主要内容是测定试件表面黑度以及分析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，通过本实验的学习黑度概念和黑度测量，自己动手测绘试件、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。

本实验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下降趋势。

实验目的
1、巩固辐射换热理论.
2、掌握用真空辐射法测定固体表面黑度的试验方法.
3、分析固体表面黑度随温度的变化规律.
实验设备介绍及实验原理分析：
通过查阅相关资料，我们了解到研究黑度的方法主要有：辐射法、量热计法和正规热工况法。

辐射法是建立在以被测物体的辐射和绝对黑体或其他辐射系数已知的辐射系数为已知的物体辐射，相比较的基础之上的。

本实验采用辐射法。

实验原理
当一物体放在另一物体的空腔内，且空腔内不存在吸收热辐射的介质时（如空气），彼此以辐射换热方式进行热交换，其辐射换热量为：
44120112112210010011
1T T C F Q F F εε⎡⎤⎛⎫⎛⎫-⎢⎥
⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎢⎥⎣⎦=
⎛⎫+- ⎪⎝⎭
(W) (1)
式中 F1——错误！未找到引用源。

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内表面的黑度。

如果F1、F2已知，通过实验测量Q12、T1、T2，根据式（1）试件外表面黑度ε1可由下式算出：
44120111122210010011
1T T C F F Q F εε⎧⎫⎡⎤
⎛⎫⎛⎫-⎪⎪⎢⎥
⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎛⎫⎢⎥⎪⎪
⎣⎦=--⎨⎬
⎪⎝⎭⎪
⎪⎪⎪⎩⎭
为了研究试件表面黑度ε1 随温度T1的变化关系，必须测量不停黑度下的黑度值，从而画出ε1=f( T1)曲线。

实验装置及设备
实验设备由黑度测定仪本体及三个系统组成。

三个系统分别为
1) 加热系统：包括电加热器、电流表、电压表、调压器、稳压集成块。

2) 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。

3) 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及外壳组成，试件外径25mm ，管长270mm 。

外壳内径99mm ，管长270mm 。

本实验装置的外壳内表面黑度取ε2=0.6。

具体量原理及装置如图1所示。

图1辐射传热实验装置简图
图2辐射传热实验装置图
设计思路
该设备用于测量固体材料的表面黑度，根据辐射可以在真空中传递而导热和对流则不能的特点设计制造。

在该装置中用真空泵把存在温差的两个表面之间的空气抽掉而形成真空，使得这两个表面之间仅进行辐射传热，通过实验分别测得各参数，再根据辐射换热理论公式求出被测固体表面的黑度。

设备特色
1、集成度高
2、加热部分全部采用不锈钢制造，美观且永不锈蚀。

3、采用数显温度表直接读取热电偶测得的温度，使学生可以非常直观地了解温度的变化。

4、采用电子调压器方便地调节输入电压。

5、仪器制造的美观整洁，标牌完整。

实验试件测绘的三维图及工程图:
图3试件三维图
实验步骤：
⑴、用扳手将左侧密封盖打开，取出试件，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。

⑵、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。

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。

经过一段时间，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。

⑷、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。

⑸、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，做曲线图找出规律。

注意事项及说明
1、停泵前必须先关闭真空阀；
2、真空阀只能在开真空泵后打开，否则真空泵内的油会被抽走。

实验数据及实验结果:
实验结果分析：
本组实验结果分析
由于仪器本身以及时间间隔等各种因素，八组数据中有两组数据得到的黑度均大于1，有较大的实验误差。

根据以上数据在坐标纸上画出黑度与工件外表面温度的曲线图，由图可以看出黑度与工件表面温度的关系：试件表面的黑度受温度的影响，但对于锈蚀处理的钢管，黑度受温度的影响相对较小。

对于整个图线，相对来说较为平稳，黑度在0.95左右上下浮动。

实验误差分析
(1) 绝对稳态很难达到
（2）绝对真空很难达到
（3）设备不准确，可能存在漏气等现象
（4）给定的黑度（定值）不够准确，也会受温度的影响
（5）实验设备使用指针型的电压表和电流表，使读取数据时产生误差（6）调电压时使用的是旋钮，使调电压的过程中难以调准
（7）读取数据的时间间隔应为两小时，但实际测量过程，未能准确遵守，故时间误差较大
（8）使用游标卡尺等工具对试件进行几何尺寸的测量时存在误差
（9）时间存放时间较长，表面性质放生变化，从而影响试件的黑度测量不同试件实验结果比较
经比较不同处理方式试件的实验结果及实验图像，可以得出结论：物体表面的黑度与物体的性质、表面状况和温度等因素有关，是物体本身的固有
特性。

一般来说表面粗糙度越大，黑度越大。

对于不同的材料，温度对其影响的情况也各不相同，应相应的具体分析。

理论上黑度的值应介于0和1之间，但是就实验得出，有些黑度是大于1的，这说明实验过程中仍存在许多的误差，将影响到实验的准确性。

总结：
在这次实验中，我们对辐射换热理论有了更深一步的了解，掌握了用真空辐射发测定固体表面黑度的试验方法。

实验结束后,通过数据分析,我们发现试件表面黑度受温度的影响,而且通过对比其它组的结果发现不同材料的物体表面黑度随温度升高是不同的变化。

通过这次项目实验，增强了我们提高我们的动手能力、理论联系实际能力和团队的协作能力；通过相关资料的查阅，锻炼了我们查阅文献、阅读相关技术资料和调查研究能力；通过研究报告的撰写增强了我们科技文献的写作能力；这次项目使我们认识到团队合作的精神和科学的严谨性，了解到物体表面黑度与表面温度的关系及变化趋势。

黑度是衡量物体表面辐射换热能力的一个重要指标，在工业生产中应用广泛，了解并掌握这一知识对于工业生产具有重要意义。

在此也十分感谢老师在项目过程中给予的支持和耐心指导。