瞬态辐射热流计

　　0　引　言

　　辐射热流计是研究辐射换热交换重要工具,在太阳能利用、空间技术、气象研究、工业、冶金、能源动力、建筑空调、医疗卫生等领域中都有重要的应用。目前使用的全辐射热流计分为热传导型的稳态热流计和集总热容式热流计[1],都是依据热平衡原理设计的。许多情况需要测试变化的辐射流,用稳态热流计不能准确测量。用集总热容式热流计测试变化辐射热流时,受测头的热容影响,其动态响应特性也较差,时间响应常数要数分钟。由于影响热流计测头热平衡的因素很多,准确测定瞬态辐射热流更增添了难度。因此,为了提高对变动辐射流的测试精确度,开展高精度瞬态辐射热流计的研究是很有必要。本文旨在开发一种不仅可满足空间技术真空环境下使用,还可在地面对流环境中使用的高精度瞬态辐射热流计。

　　1　瞬态辐射热流计的模型

　　本文选择上表面涂黑的薄铜片作热流计的测头,铜片背后绝热,为了在大气环境下减小对流传热的波动以及便于和市售太阳总辐射表测量值对比,在铜片上方加有石英玻璃罩。当用于空间卫星辐射热流测量或地面真空环境测量时可取消石英玻璃罩,以消除石英玻璃本身对一定波段热辐射的吸收热流测头结构见图1,受到辐照后,测头铜片2的能量平衡方程为:

　　式(2)的右边有众多参数,而铜片测头只提供温度T随时间的变化情况。地面测量中,铜片周围的空气温度T∞也会随铜片温度变化而变化,因此,需用辅助热电偶测量T∞。当在铜片上方加罩石英玻璃罩后,可避免铜片上方空气的随机流动的影响,但T∞却发生几乎随T同步的变化,并经一段时间后(T-T∞)的差值也几乎不变,见图2。换热系数h是通过预先进行标定。铜片背面隔热层底面温度Tb最好通过热流计测头的特别设计,使之与T尽可能相等并同步变化,文耀普提出了两级热流计测头的设计[2],通过在主测头铜片背后隔热层底面再增设一个大铜片,大铜片外露辐射面也涂黑,大铜片背面再设隔热层,这种设计可使Tb与T十分接近,甚至Tb可以不测,仅作误差估计即可[3]。在地面环境,主测头铜片可作低发射率表面处理,并把铜片吊放在大铜块洞的洞口面,使Tb接近于常数,实验标定出k值[4]。背境辐射温度Tsurr可以用电加热片稳态热平衡法确定。α是铜片吸收率,ε为铜片发射率也需通过标定求得。有关热流计的标定将在另文详细叙述。在真空坏境或空间的辐射热流密度测量式为:

　　因此,瞬态的辐射热流计的关键是同步求得铜片温升速率T′。

　　图2为最简单的阶跃突变恒定热流的温升曲线,辐射光源是用距测头一定距离的白炽灯照射,图中的上下两条线分别为铜片温度和其周围补偿温度。从图2可以看出铜片温升速率T′在不断地变化,如果辐照热流也是变动的,T′的变动情况就更加复杂。