实验7铂丝表面发射率的测定 [实验目的 1.掌握热工实验技巧及有关仪表的工作原理和使用方法： 2.巩固辐射传热理论，学习测定发射率的实验方法： 3.定量测量铂丝表面在不同温度下的发射率，确定发射率随温度变化的关系式。 [实验原理] 在柱状玻璃真空腔内，放置圆柱形细长铂丝。腔的内壁2（凹表面）与腔内铂丝1（凸 表面)，组成两灰体的辐射传热系统，如图7-1所示。 水套玻璃腔铂丝 -1 测压端 图7-1两灰体组成的封闭腔系统 图7-2实验台本体结构示意图 如图T-2,真空腔为双层玻璃套，套中通冷却水。铂丝通电流，产生焦耳热， 其热辐射被真空腔玻璃水套吸收。由传热学理论，表面1、2间的辐射换热量①，为 .=4E-E）.4a-r到 (7-1) +可+g可 式中A、A2-一表面1、2的表面积，m2: Ea1、E62一-一表面1、2的黑体辐射力，Wm2: 61、62一—表面1、2的发射率：
实验 7 铂丝表面发射率的测定 [实验目的] 1.掌握热工实验技巧及有关仪表的工作原理和使用方法； 2.巩固辐射传热理论，学习测定发射率的实验方法； 3.定量测量铂丝表面在不同温度下的发射率，确定发射率随温度变化的关系式。 [实验原理] 在柱状玻璃真空腔内，放置圆柱形细长铂丝。腔的内壁 2 （凹表面）与腔内铂丝 1 （凸 表面），组成两灰体的辐射传热系统，如图 7-1 所示。 图 7-1 两灰体组成的封闭腔系统 图 7-2 实验台本体结构示意图 如图 7-2，真空腔为双层玻璃套，套中通冷却水。铂丝通电流，产生焦耳热， 其热辐射被真空腔玻璃水套吸收。由传热学理论，表面 1 、2 间的辐射换热量 1,2 为 ( ) ( ) + − − = + − − = 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 4 2 4 1 0 1 2 2 1 1 1 1 2 1 2 A A A T T A A A Eb Eb , （7-1） 式中 A1 、 A2——表面 1 、 2 的表面积， 2 m ； Eb1、 Eb2 ——表面 1 、 2 的黑体辐射力， 2 W m ； 1 、 2 ——表面 1 、 2 的发射率； 1 2 水套 玻璃腔 铂丝 测压端
T、T2一一表面1、2的温度，K: 5。一一斯式藩-玻耳兹曼常数，o。=5.67×10W/m2.K). 铂丝表面积4较小，即4<A,4/4→0，因而有 2=64a,G-T) (7-2) 功12 84如-】 (7-3) 因此，只要测出铂丝与真空腔的辐射换热量D,2、铂丝的表面积A和温度工、真 空腔内表面的温度T,即可由式(7-3)求得铂丝表面的发射率6，· （一)铂丝表面温度t,的测定 在实验台中，铂丝本身既是发热元件，又是测温元件。测温采用电阻法，铂丝表面 温度可以通过下式求得 1=8-见 (7-4) Ra 式中R,一一铂丝0°C时的电阻，R=0.282): R,一一铂丝C时的电阻，2。 a一—铂丝的电阻温度系数，a=3.9×103/C。 (二)玻璃表面温度1，的测定 由于空腔内表面2的热流密度小，而水与玻璃的热容又较大，故冷却水的温度变化 不大，直接可用水套出口水温代替空腔内表面的温度(2，实验时，用玻璃温度计测量
T1、T2 ——表面 1 、 2 的温度，K ； 0 ——斯忒藩-玻耳兹曼常数， ( ) 8 2 4 0 = 5 6710 W m K − . 。 铂丝表面积 A1 较小，即 A1 A2 ， A1 A2 → 0 ，因而有 ( ) 4 2 4 1,2 = 1A1 0 T1 −T （7-2） ( ) 4 2 4 1 0 1 1 2 1 A T T , − = （7-3） 因此，只要测出铂丝与真空腔的辐射换热量 1,2 、铂丝的表面积 A1 和温度 T1 、真 空腔内表面的温度 T2 ，即可由式（7-3）求得铂丝表面的发射率 1 。 (一)铂丝表面温度 1 t 的测定 在实验台中，铂丝本身既是发热元件，又是测温元件。测温采用电阻法，铂丝表面 温度可以通过下式求得 0 0 1 R R R t t − = （7-4） 式中 R0 ——铂丝 0 C o 时的电阻， 0 28(Ω) 0 R = . ； Rt ——铂丝 C o t 时的电阻， Ω 。 ——铂丝的电阻温度系数， 3 9 10 (1 C) −3 o = . 。 (二)玻璃表面温度 2 t 的测定 由于空腔内表面 2 的热流密度小，而水与玻璃的热容又较大，故冷却水的温度变化 不大，直接可用水套出口水温代替空腔内表面的温度 2 t ，实验时，用玻璃温度计测量
(三)辐射换热量中，的测量 测量铂丝实验段的电压U和电流I,计算可得铂丝的焦耳热量Q Q=IU (7-5) 该热量Q包括两部分，即铂丝实验段与空腔内壁的辐射传热量中2，以及铂丝实验段 端部引线导热而损失的热量。 实验段外的铂丝部分，由于也产生热量，可认为其表面温度与实验段相近，通过这 部分的导热损失可忽略不计。导热损失主要由电压引线产生，其热量损失主要和引线的 导热系数、表面发射率、平均温度、两端温差、表面积、长度及空腔环境有关。由于环 境温度、引线温度和两端温差，与实验段产生热量Q及传热温差△M=(,-4,成比例， 故辐射传热量可写为 D2=B0 (7-6) 式中，B为系数，通过大量实验得 B=exp0.00377r-4.074 (7-7) 上式适用范围为t=100~500°C,冷却水为室温。 [实验装置] 实验设备包括辐射实验台本体、直流稳压电源、电位差计、直流电压表等，系统接 线如图7-3所示。 温度计 本体 mV 稳压源 220V 图7-3测量系统连搂示意图
(三)辐射换热量 1,2 的测量 测量铂丝实验段的电压 U 和电流 I ，计算可得铂丝的焦耳热量 Q Q = IU （7-5） 该热量 Q 包括两部分，即铂丝实验段与空腔内壁的辐射传热量 1,2 ，以及铂丝实验段 端部引线导热而损失的热量。 实验段外的铂丝部分，由于也产生热量，可认为其表面温度与实验段相近，通过这 部分的导热损失可忽略不计。导热损失主要由电压引线产生，其热量损失主要和引线的 导热系数、表面发射率、平均温度、两端温差、表面积、长度及空腔环境有关。由于环 境温度、引线温度和两端温差，与实验段产生热量 Q 及传热温差 Δ 1 2 t = t − t 成比例， 故辐射传热量可写为 1,2 = BQ （7-6） 式中， B 为系数，通过大量实验得 B = exp(0.00377Δt − 4.074) （7-7） 上式适用范围为 Δ 100 500 C o t = ~ ，冷却水为室温。 [实验装置] 实验设备包括辐射实验台本体、直流稳压电源、电位差计、直流电压表等，系统接 线如图 7-3 所示。 图 7-3 测量系统连接示意图 稳压源 温度计 本体 mV mA 220V ~
实验台本体为铂丝封闭在真空玻璃腔内，真空腔内真空度达5×10+cmHg。 铂丝直径d=0.2mm,实验段通过测量，其表面积为A,=6.28×105m2。同铂 丝两端相连的引线，是与玻璃具有同样膨胀系数的钨丝，钨丝与电源相连接。另外，在 铂丝实验段还引出两根引线，用来测量实验段电压。铂丝实验段焦耳功率的Q大小是由 稳压电源来调节的，调节范围为2~5V、0.5~1.0A。 [实验内容] (一)仪器调整 1.按图7-3连接各个设备，注意电位的高低和仪表的正负极对应，不要接反。 2.选择电流表量程为1A。调节稳压电源输出，从0.5A开始至1A,每隔01A设 置一个测量工况。铂丝电流由电流表读出。按照电位差计操作说明，校正及初步测试铂 丝实验段电压。 3.在每个实验工况，待铂丝温度稳定后（此时电位差计读书也稳定不变了），记录 铂丝实验段电压U、电流I、出口水温。 4.选择另一工况，重复上述步骤，测试另一温度下的铂丝发射率8，。最后，在坐 标纸上做出铂丝发射率6，随温度t,变化的关系曲线。注：在100~500°C之间，铂丝 的发射率与温度之间近似为线性关系。 (二)测量数据 表7-1试验数据记录 电流1 电压U 电阻R, 温度t, 温度t2 实验次序 (A) (w) ) (c) (c) 发射率6 0.5 2 0.6 3 0.7 4 0.8 5 0.9 6 1.0
实验台本体为铂丝封闭在真空玻璃腔内，真空腔内真空度达 5 10 cmHg −4 。 铂丝直径 d = 0.2mm ，实验段通过测量，其表面积为 5 2 1 6 28 10 m − A = . 。同铂 丝两端相连的引线，是与玻璃具有同样膨胀系数的钨丝，钨丝与电源相连接。另外，在 铂丝实验段还引出两根引线，用来测量实验段电压。铂丝实验段焦耳功率的 Q 大小是由 稳压电源来调节的，调节范围为 2 ~ 5V、0.5 ~ 1.0A。 [实验内容] (一)仪器调整 1.按图 7-3 连接各个设备，注意电位的高低和仪表的正负极对应，不要接反。 2.选择电流表量程为 1A 。调节稳压电源输出，从 0.5A 开始至 1A ，每隔 0.1A 设 置一个测量工况。铂丝电流由电流表读出。按照电位差计操作说明，校正及初步测试铂 丝实验段电压。 3.在每个实验工况，待铂丝温度稳定后（此时电位差计读书也稳定不变了），记录 铂丝实验段电压 U 、电流 I 、出口水温。 4. 选择另一工况，重复上述步骤，测试另一温度下的铂丝发射率 1 。最后，在坐 标纸上做出铂丝发射率 1 随温度 1 t 变化的关系曲线。注：在 100 500 C o ~ 之间，铂丝 的发射率与温度之间近似为线性关系。 (二)测量数据 表 7-1 试验数据记录 实验次序 电流 I (A) 电压 U (V) 电阻 Rt (Ω) 温度 1 t ( C) o 温度 2 t ( C) o 发射率 1 1 0.5 2 0.6 3 0.7 4 0.8 5 0.9 6 1.0
[注意事项] 1.输入铂丝的电流不得超过1.0A。 2.实验中，断续接通电位差计的检流计，防止检流计过载。一旦检流计过载，需等 待一会儿，使过载保护放电完成后，才能继续使用。 3.不要长时间接通大电流。实验完成后，应及时切断电源。 4.小心保护玻璃真空腔，防止打破玻璃腔，失去真空。 5.整个实验完成后，一定要取出电位差计的干电池。 [数据处理] 1.铂丝表面温度t,的计算 铂丝电阻： R,=U/I@) (7-8) 式中I一一铂丝实验段的电流值，A: U一一铂丝实验段的电压值，V。 铂丝表面温度： 5=RR（c (7-9) 式中R,一—铂丝在0°C时的电阻，R=0.28(@) a-铂丝的电阻温度系数，a=3.9×10-3/°C 2.辐射传热量D,的计算 铂丝实验段焦耳热量： Q=IU (W) (7-10) 铂丝辐射传热量 p2=B0(W) (7-11) 式中B-一修正系数，B=ex0.00377M-4.074) r一一传热温差，M=t-t,(°C
[注意事项] 1.输入铂丝的电流不得超过 1.0A。 2.实验中，断续接通电位差计的检流计，防止检流计过载。一旦检流计过载，需等 待一会儿，使过载保护放电完成后，才能继续使用。 3.不要长时间接通大电流。实验完成后，应及时切断电源。 4.小心保护玻璃真空腔，防止打破玻璃腔，失去真空。 5.整个实验完成后，一定要取出电位差计的干电池。 [数据处理] 1.铂丝表面温度 1 t 的计算 铂丝电阻： R U I t = (Ω) （7-8） 式中 I ——铂丝实验段的电流值， A ； U ——铂丝实验段的电压值， V 。 铂丝表面温度： 0 0 1 R R R t t − = ( C) o （7-9） 式中 R0 ——铂丝在 0 C o 时的电阻， 0 28(Ω) 0 R = . ； ——铂丝的电阻温度系数， 3 9 10 (1 C) −3 o = . 。 2.辐射传热量 1,2 的计算 铂丝实验段焦耳热量： Q = IU （ W ） （7-10） 铂丝辐射传热量： 1,2 = BQ （ W ） （7-11） 式中 B ——修正系数， B = exp(0.00377Δt − 4.074) ； Δt ——传热温差， Δ ( C) o 1 2 t = t − t ；
t2一一出口水温，·C。 3.铂丝发射奉&的计算 铂丝发射率： 6=Ao- (7-12) 式中A,-一铂丝实验段表面积，A,=6.28×105m2)片 0。-—斯式藩-玻耳兹曼常数，。=5.67×103W/m2.K): T一一铂丝表面温度，K T2一—出口水温，K。 [问题思考] 1.如果玻璃真空腔失去真空，会对实验结果有何影响 2.铂丝的辐射热量是否被玻璃水套完全吸收？是否对实验结果有影响？
2 t ——出口水温， C o 。 3.铂丝发射率 的计算 铂丝发射率： ( ) 4 2 4 1 0 1 1 2 1 A T T , − = （7-12） 式中 A1 ——铂丝实验段表面积， ( ) 5 2 1 6 28 10 m − A = . ； 0 ——斯忒藩-玻耳兹曼常数， ( ) 8 2 4 0 = 5 6710 W m K − . ； T1——铂丝表面温度， K ； T2 ——出口水温， K 。 [问题思考] 1.如果玻璃真空腔失去真空，会对实验结果有何影响？ 2.铂丝的辐射热量是否被玻璃水套完全吸收？是否对实验结果有影响？