第三章辐射换热的实验研究和工程应用
§ 3.1 物体表面 ε (发射率 )的测量图 (3-1) 卡计法示意图
§ 3.2 用卡计法测量固体表面的热辐射性质测量的方法有：
卡计法，反射法和辐射计法三大类。
现介绍卡计法：
用卡计法测量发射率是将样品置于真空中加热，而根据样品的热平衡方程求得样品的半球全发射率。
卡计法的主要优点是测试准确度高，
装置较简单，操作方便，测试的温度范围广 (可以从致冷温度到 2000 C 以上的高温 ) 。
主要缺点是测试周期较长 (指稳态卡计法 )，样品的制备和安装比较复杂。
图 (3-2)是一种稳态卡计法测量表面半球向全发射率的装置。
图 (3-2) 测量半球向全发射率的稳态卡计法装置示意图被测样品用主加热器通电加热，并用一补偿加热器对主加热器的侧部和底部加热，
通过温度控制使主加热器的加热电功率全部加在样品上。
样品及加热装置置于能抽至 10^{-4} 托或更高真空度的真空室内，室壁涂黑，并通液氮进行冷却。
这样，样品与空气之间的对流、导热损失以及室壁对样品的辐射均可忽略不计。
当样品在恒定的电功率下加热达到稳态后，
可以写出样品的热平衡方程
（不计样品的侧面热损失）：
式中
A - 样品的表面积；
- 样品的半球全发射率；
T - 样品温度；
P - 电加热功率。
测量电加热器的电功率 P 和样品的平衡温度 T,就可以按上式计算出样品在温度 T 时的半球全发射率
。
因为电功率和温度都能精确的测量，
故此法测量精度较高。
非稳态卡计法为缩短测量时间，可运用非稳态卡计法测量发射率。当样品在真空中受光照射时，能量平衡方程为
I - 光辐射照度；
α - 样品对光辐照的吸收率；
当样品因受照射而温度升高后，
若关灯使样品冷却，则样品的能量平衡方程式为,
§ 3.3 辐射对温度测量的影响
当把温度计放在气流中测量温度时，感受元件所指示的是温度取决于感受元件上的总的能量平衡。
如图 (3-3)所示图 (3-3) 气流中的温度测量从上式可知，温度计指示的温度并非是气体的真实温度，而是温度计进行对流和辐射换热的平衡温度。
因此会造成测量误差，有时误差甚至会很大。
通过采用辐射屏来减少测量误差。
举例,
图 (3-4) 用热电偶测量气流温度的示意图
§ 3.4 循环流化床锅炉 (CFBB)
中的热流测量探头 (热流计 )
利用热流计测量 CFBB炉膛与壁面之间的换热。由于 CFBB是目前一种新型的锅炉，所以炉内的换热过程尚不够完善，
炉内换热研究显得非常重要。
我们根据瑞典 Chalmers工业大学设计的热流计及其应用于 CFBB炉内传热测试研究的有关资料，结合我国的实际情况，
研制了一个适用于 CFBB的热流计。
1，结构：
该热流计是由一根金属棒构成，
它的一端为所需要测量的热流加热，另一端由水冷却。
金属棒的轴向两点温度是由两对热电偶测量。
为减小侧面热损，用两个与棒相同材料的隔热环包围着金属棒的侧壁。缝隙在热端是闭合的，防止烟灰和水蒸气的进入。金属棒和隔热环用冷却水套保护，热流计热端表面涂耐高温的黑漆。见图 (3-5).
图 (3-5) 热流计结构示意图
2，原理,
假如金属棒的导热系数 K 和径向热损失系数是已知的，则热流计是不用标定的。
吸收的热量可以根据导热的 Fourier
公式，且近似地认为是沿金属棒轴向的一维导热问题，由金属棒两对热电偶测出的温度读数 TA,TB 计算出来。
但是，金属棒的导热系数和径向热损失系数不易得到。
所以，热流计表面吸收的热量需要由一个黑体炉进行标定。
3，热流计的标定,
热流计的标定是在一个球状“黑体”炉进行的，见图 (3-6)
图 (3-6) 标定炉结构示意图该炉用电加热，它由两个半球组成。每个半球上下顶部都有一个 1cm 直径的小孔，用来测量和监视炉内的温度。炉子的温度由调压器控制。在半球相接触面开一个 φ66 mm 的大孔，用来放热流计。
注意，热流计端面略超过球内壁。要保证炉内的温度梯度很小。炉内空腔给出了很高的有效辐射率 ε f (由图 (3-7)得到 ),这样，炉内的温度确定了炉内的辐射热流。
(3-9)式右边的第一项为热流计表面吸收黑体炉的辐射热量；
第二项为热流计发射的辐射热量；
第三项为在常热流中的垂直冷却平板的自然对流 (热流计热端接收的自然对流的热流 )；
图 (3-7) 有效发射率的标定曲线图 (3-8) 热流计的标定曲线
4,应用,
将热流计放入锅炉内，通过测量热流计上的两点温度 TA,TB，
由标定曲线，即可查到壁面与炉内物料之间的换热热流。
§ 3.5 加热空气的装置的换热性能研究研究一个对空气进行加热的装置，
如图 (3-9),加热元件为硅碳棒，外为一金属圆筒，筒外壁是绝热的 。
图 (3-9) 对空气进行加热的装置解：该问题是对流、辐射的复合问题。
(1),对圆筒内壁建立能量守恒方程圆筒内壁得到的辐射热量
＝ 圆筒内壁以对流方式传给空气的热量即
(2)，对硅碳棒建立能量守恒方程棒的电加热量
＝ 棒传出的辐射热
＋
棒以对流形式传给空气的热量即
(3),对空气建立能量守恒方程空气从棒和筒内壁得到的以对流形式传给空气的热量
＝
空气带出的热量即：
The End
§ 3.1 物体表面 ε (发射率 )的测量图 (3-1) 卡计法示意图
§ 3.2 用卡计法测量固体表面的热辐射性质测量的方法有：
卡计法，反射法和辐射计法三大类。
现介绍卡计法：
用卡计法测量发射率是将样品置于真空中加热，而根据样品的热平衡方程求得样品的半球全发射率。
卡计法的主要优点是测试准确度高，
装置较简单，操作方便，测试的温度范围广 (可以从致冷温度到 2000 C 以上的高温 ) 。
主要缺点是测试周期较长 (指稳态卡计法 )，样品的制备和安装比较复杂。
图 (3-2)是一种稳态卡计法测量表面半球向全发射率的装置。
图 (3-2) 测量半球向全发射率的稳态卡计法装置示意图被测样品用主加热器通电加热，并用一补偿加热器对主加热器的侧部和底部加热，
通过温度控制使主加热器的加热电功率全部加在样品上。
样品及加热装置置于能抽至 10^{-4} 托或更高真空度的真空室内，室壁涂黑，并通液氮进行冷却。
这样，样品与空气之间的对流、导热损失以及室壁对样品的辐射均可忽略不计。
当样品在恒定的电功率下加热达到稳态后，
可以写出样品的热平衡方程
（不计样品的侧面热损失）：
式中
A - 样品的表面积；
- 样品的半球全发射率；
T - 样品温度；
P - 电加热功率。
测量电加热器的电功率 P 和样品的平衡温度 T,就可以按上式计算出样品在温度 T 时的半球全发射率
。
因为电功率和温度都能精确的测量，
故此法测量精度较高。
非稳态卡计法为缩短测量时间，可运用非稳态卡计法测量发射率。当样品在真空中受光照射时，能量平衡方程为
I - 光辐射照度；
α - 样品对光辐照的吸收率；
当样品因受照射而温度升高后，
若关灯使样品冷却，则样品的能量平衡方程式为,
§ 3.3 辐射对温度测量的影响
当把温度计放在气流中测量温度时，感受元件所指示的是温度取决于感受元件上的总的能量平衡。
如图 (3-3)所示图 (3-3) 气流中的温度测量从上式可知，温度计指示的温度并非是气体的真实温度，而是温度计进行对流和辐射换热的平衡温度。
因此会造成测量误差，有时误差甚至会很大。
通过采用辐射屏来减少测量误差。
举例,
图 (3-4) 用热电偶测量气流温度的示意图
§ 3.4 循环流化床锅炉 (CFBB)
中的热流测量探头 (热流计 )
利用热流计测量 CFBB炉膛与壁面之间的换热。由于 CFBB是目前一种新型的锅炉，所以炉内的换热过程尚不够完善，
炉内换热研究显得非常重要。
我们根据瑞典 Chalmers工业大学设计的热流计及其应用于 CFBB炉内传热测试研究的有关资料，结合我国的实际情况，
研制了一个适用于 CFBB的热流计。
1，结构：
该热流计是由一根金属棒构成，
它的一端为所需要测量的热流加热，另一端由水冷却。
金属棒的轴向两点温度是由两对热电偶测量。
为减小侧面热损，用两个与棒相同材料的隔热环包围着金属棒的侧壁。缝隙在热端是闭合的，防止烟灰和水蒸气的进入。金属棒和隔热环用冷却水套保护，热流计热端表面涂耐高温的黑漆。见图 (3-5).
图 (3-5) 热流计结构示意图
2，原理,
假如金属棒的导热系数 K 和径向热损失系数是已知的，则热流计是不用标定的。
吸收的热量可以根据导热的 Fourier
公式，且近似地认为是沿金属棒轴向的一维导热问题，由金属棒两对热电偶测出的温度读数 TA,TB 计算出来。
但是，金属棒的导热系数和径向热损失系数不易得到。
所以，热流计表面吸收的热量需要由一个黑体炉进行标定。
3，热流计的标定,
热流计的标定是在一个球状“黑体”炉进行的，见图 (3-6)
图 (3-6) 标定炉结构示意图该炉用电加热，它由两个半球组成。每个半球上下顶部都有一个 1cm 直径的小孔，用来测量和监视炉内的温度。炉子的温度由调压器控制。在半球相接触面开一个 φ66 mm 的大孔，用来放热流计。
注意，热流计端面略超过球内壁。要保证炉内的温度梯度很小。炉内空腔给出了很高的有效辐射率 ε f (由图 (3-7)得到 ),这样，炉内的温度确定了炉内的辐射热流。
(3-9)式右边的第一项为热流计表面吸收黑体炉的辐射热量；
第二项为热流计发射的辐射热量；
第三项为在常热流中的垂直冷却平板的自然对流 (热流计热端接收的自然对流的热流 )；
图 (3-7) 有效发射率的标定曲线图 (3-8) 热流计的标定曲线
4,应用,
将热流计放入锅炉内，通过测量热流计上的两点温度 TA,TB，
由标定曲线，即可查到壁面与炉内物料之间的换热热流。
§ 3.5 加热空气的装置的换热性能研究研究一个对空气进行加热的装置，
如图 (3-9),加热元件为硅碳棒，外为一金属圆筒，筒外壁是绝热的 。
图 (3-9) 对空气进行加热的装置解：该问题是对流、辐射的复合问题。
(1),对圆筒内壁建立能量守恒方程圆筒内壁得到的辐射热量
＝ 圆筒内壁以对流方式传给空气的热量即
(2)，对硅碳棒建立能量守恒方程棒的电加热量
＝ 棒传出的辐射热
＋
棒以对流形式传给空气的热量即
(3),对空气建立能量守恒方程空气从棒和筒内壁得到的以对流形式传给空气的热量
＝
空气带出的热量即：
The End
