传热学三级项目

传热学三级项目
目录
一、摘要 (1)
二、前言 (1)
三、黑度的测定及分析 (1)
3.1 固体表面黑度测定的基本原理 (1)
3.2 黑度测定的设备 (2)
3.3 实验设备图片及试件图纸 (3)
3.4实验步骤介绍 (4)
3.5 实验数据及黑度值记录表 (5)
3.6 黑度与温度之间的曲线图 (5)
3.7 结论 (6)
3.8 误差分析 (6)
四、感想 (6)
五、主要参考文献 (7)
附录：自评分表 (7)
一、摘要
在传热学中，黑度的研究必不可少。

本文以测量物体表面的黑度为中心，进一步研究物体的黑度与温度之间的关系。

同样，这个过程也会有对黑度测定设备的介绍及对黑度测定结果的分析，最终以数据图表的形式定量给出物体黑度与温度之间的关系。

二、前言
物体可按其辐射特性分为黑体、灰体和选择性辐射体（非灰体）三大类。

其中黑体是能发射全波段的热辐射，在相同的温度条件下，辐射能力最大。

黑体的辐射能力为斯蒂芬-玻尔兹曼定律。

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，或物体的发射率，用ε表示。

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，与外界环境情况无关。

凡是将辐射热全部反射的物体称为绝对白体，能全部吸收的称为绝对黑体，能全部透过的则称为绝对透明体或热透体。

在应用科学中，常把吸收系数接近于1的物体近似的当作黑体。

本项目就是基于这些基本概念来分析固体表面黑度随温度的变化。

三、黑度的测定及分析
3.1 固体表面黑度测定的基本原理
当一物体放在另一物体的空腔内，且空腔内不存在吸收辐射
换热的介质时（如空气），彼此以辐射换热方式进行热交换，辐 射换热量由下式计算：
44120112112210010011
1T T C F Q F F εε⎡⎤
⎛⎫⎛⎫-⎢⎥
⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎢⎥⎣⎦=
⎛⎫+- ⎪⎝⎭
中F1——试件外表面积（㎡）； F2——外壳内表面积（㎡）；
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。

当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⎧⎫⎡⎤
⎛⎫⎛⎫-⎪⎪
⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎛⎫⎢⎥⎪⎪⎣⎦=--⎨⎬
⎪⎝⎭⎪
⎪⎪⎪⎩⎭
3.2 黑度测定的设备
本实验采用真空辐射换热法。

实验设备由黑度测定分析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、数显湿度表。

本体是由圆柱管的试件及外壳组成。

试件外径为24.52mm ，管长270mm ，外壳内径为98.40mm ，管长为270mm 。

本实验装置的外壳内表面黑度取ε2=0.6。

实验原理图如下：
图1 实验原理图
3.3 实验设备图片及试件图纸
图2 镀铬钢管 图3 黑度测定分析仪
外壳
试件
热电偶
数显温度计
电子调压器
真空泵
真空阀
大气阀
A V
真空表
图3 镀铬钢管三维图
图4 镀铬钢管工程图
3.4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。

最后实验完毕，切断电源，整理好实验现场。

3.5 实验数据及黑度值记录表
3.6 黑度与温度之间的曲线图：
由图表我们可以发现，除去第一组数据后物体的黑度将会随着温
从图像上可以看到，78摄氏度之后黑度随着温度的升高而降低，并且随着温度的升高物体表面黑度的变化率减小，最后趋于一稳定值。

对于第一组数据，经分析其数值偏小，理由如下： 从调试好仪器开始到读取第一组数据的时间间隔太短，系统并没有达到稳态。

3.7结论：
经过对镀铬钢管表面黑度的测定及数据曲线图的分析，我们发现镀铬钢管表面黑度随温度的升高呈现下降的趋势。

3.8 误差分析
1)实验仪器本身存在系统误差
2)读取数据时因为有估读而存在误差
3)实验过程可能漏气
4)实验未达到完全稳态
5)ε2 给定为0.6为近似值
四、感想
通过本次传热学项目，我们对传热学有了更加深刻的了解。

明白了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，在工业生产中应用甚广。

因此这样的试验及发现对现实生活有巨大的意义。

同时，我们也体会到团队的合作的重要性以及工业科学的严谨性，为我们的人
生上了重要一课。

虽然对物体黑度的测量，我们得到的实验数据有一定误差，但这也激励我们去分析整个实验过程，探索误差产生的原因，提高我们自主学习的积极性，激发了我们探索未知领域的无限热情。

五、主要参考文献：
【1】《传热学》张兴中黄文刘庆国著，国防工业出版社
【2】《传热学实验指导书》吴玉娟张岩岩编写
【3】《SolidWorks2014从入门到精通》孙立明胡仁喜著，机械工业出版社
自评分表：。