ТМО (к лабораторным работам № 1,2,3)

11

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 «ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ПОВЕРХНОСТИ

МАТЕРИАЛА МЕТОДОМ ДВУХ ЭТАЛОНОВ»

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Первичное напряжение, подаваемое на клеммы автотрансформаторов - 220 В, вторичное – 15-25 В, ток – 0,6-1,0 А. Температура цилиндрических поверхностей – 200-250° С.

Перед выполнением работы внимательно ознакомьтесь с конструкцией установки, а также с предупреждающими плакатами и надписями, относящимися к данной работе.

СТРОГО ЗАПРЕЩАЕТСЯ

1.Снимать ограждающие конструкции трансформаторов.

2.Прикасаться к клеммам нагревательных элементов.

3.Прикасаться к наружным цилиндрическим поверхностям исследуемых

трубок.

4.Производить самостоятельное изменение режима работы установки.

5.Включать осветительные и силовые рубильники без разрешения руководителя работ.

6.Оставлять без наблюдения схему, находящуюся под напряжением.

7.Закорачивать блокировочные устройства.

Выполняйте только ту работу, которая вам поручена. При возникновении аварии или несчастного случая, соблюдайте организованность. Прежде всего, окажите помощь пострадавшему. Примите меры к ликвидации последствий аварии согласно «Инструкции №101».

12

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: углубление знаний по курсу «Теплопередача» путем изучения методики и проведения эксперимента.

ЗАДАНИЕ:

1.Провести эксперимент по определению степени черноты поверхности образца.

2.Составить отчет, ответить письменно на контрольные вопросы.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ Лучистая энергия возникает за счет энергии других видов в результате

сложных молекулярных и внутриатомных процессов. Природа всех лучей одинакова. Они представляют собой распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны. Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела. Электромагнитные волны различаются между собой или длинной волны, или частотой колебаний в секунду.

Из всех лучей наибольший интерес для теплопередачи представляют ин-

фракрасные, или тепловые лучи, с длиной волны λ = 0,8 ÷ 40 мк. Лучеиспускание свойственно всем телам и каждое из них излучает и по-

глощает энергию непрерывно, если температура его не равна 0 ° К. При одинаковых или различных температурах между телами, расположенными в пространстве, произвольно существует непрерывный лучистый теплообмен.

При температурном равновесии тел количество отдаваемой лучистой энергии будет равно количеству поглощенной энергии. Спектр излучения большинства твердых и жидких тел непрерывен. Эти тела испускают лучи всех длин волн от малых до больших.

Спектр излучения газов имеет линейчатый характер. Газы испускают лучи не всех длин. Такое излучение называют селективным (избирательным). Излучение газов носит объемный характер.

13

Суммарное излучение с поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства и по всем длинам волн спектра называется интегральным или полным лучистым потоком (Q).

Интегральный лучистый поток, излучаемый ед. поверхности по всем направлениям, называется излучательной способностью тела (Е).

E = dQ , Вт/м2, dS

где dQ - элементарный лучистый поток испускаемый элементом поверхности dS (рис.1).

Рис.1.

Каждое тело способно не только излучать, но и поглощать, отражать и пропускать через себя лучистую энергию. Если обозначить общее количество лучистой энергии, падающей на тело, Q, то часть энергии, равная А, поглотится телом, часть, равная К, отразится, а часть, равная D,пройдет через тело:

A = QA ; R = QR ; D = QD ;

A Q Q

Q = QA + QR + QD ;

A+R+D=1

Величины A, R, D называются соответственно коэффициентами поглощения, отражения, проницания или поглощательной, отражательной проницательной способностью тела.

14

Абсолютно черным телом называют такое тело, которое полностью погло-

щает всю падающую на него лучистую энергию:

A=1; K=0; D=0.

Абсолютно белым телом называют такое тело, которое полностью отражает всю падающую на него лучистую энергию:

K=1; А=0; D=0.

Интенсивность излучения абсолютно черного тела и любого реального тела зависит от температуры и длины волны (рис.2).

Рис. 2.

Для любой температуры интенсивность излучения ISλ возрастает от нуля при λ = 0 до своего максимального значения при определенной длине волны, а затем убывает до нуля при λ = ∞. При повышении температуры интенсивность излучения возрастает (закон Планка):

ISλ = C1λ−5 , Вт/м3.

C2

e λT −1

Кроме этого из рис.2 следует, что максимумы кривых с повышением температуры смещаются в сторону более коротких волн. Длина волны λms, отвечающая максимальному значению ISλ, определяется законом смещения Вина:

λms = 2.9 , мм.

T

15

Интегральное излучение (тепловой поток) абсолютно черного тела прямо пропорционально четвертой степени его абсолютной температуры (закон Сте- фана-Больцмана):

ES = σsT 4 , Вт/м2,

где σS - постоянная излучения Стефана-Больцмана,

σS =5,67×108 , Вт/(м2 ·K4).

Для всякого тела излучательная и поглощательная способности зависят от температуры и длины волны. Различные тела имеют разные Е и А. Зависимость между ними устанавливается законом Кирхгофа:

	E1	=	E2	=	E3	= ... =	ES	= ES .
	A1		A2		A3		AS

Отношение лучеиспускательной способности тела к его поглощательной одинаково для всех серых тел, находящихся при одинаковой температуре и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре. Все реальные тела не являются ни абсолютно черными, ни абсолютно белыми, и при одной и той же температуре излучают меньше энергии, чем абсолютно черное тело. Такие тела называют серыми.

Под серым излучением понимают такое, которое аналогично излучению черного тела имеет сплошной спектр, но интенсивность излучения для каждой длины волны ISλ, при любой температуре составляет неизменную долю от интенсивности излучения абсолютно черного тела:

ε = I λ = const. ISλ

Величину ε называют степенью черноты. Она зависит в основном от физи-

ческих свойств тела.

Степень черноты серых тел лежит в пределах 0 < ε <1. Из закона Кирхго-

фа также следует, что степень черноты серого тела ε при одной и той же темпе-

ратуре численно равна коэффициенту поглощения:

		16
ε =	I λ	=	E	= A.
	ISλ		ES

Иначе, степень черноты численно равна отношению лучеиспускательной способности серого тела к лучеиспускательной способности черного тела при одной и той же температуре.

Закон Стефана-Больцмана позволяет определить плотность собственного излучения Е, которая возникает в поверхностном слое тела и полностью определяется его температурой и физическими свойствами тела. Если же тело участвует в лучистом теплообмене с другими телами, то на рассматриваемое тело падает извне лучистая энергия.

Лучистый теплообмен между двумя телами может быть описан следующим уравнением:

	T		4			T		4
Q = Cпр	1			-		2			S, Вт,
					100
100

где Cпр - приведенный коэффициент лучеиспускания,

Cпр = εпр ·C0; C0 = 5,67, Вт/(м2 ×K4),

εпр - приведенная степень черноты системы.

В частности, для случая лучистого теплообмена между двумя параллельно расположенными пластинами

εпр	=			1				.
				1
	1		+				-1
		ε			ε	2
	1

В случае теплообмена между поверхностью и средой, не отражающей лу-

чистой энергии (диатермический газ), ε2 =1, εпр = ε1.

17

ОПИСАНИЕ МЕТОДА Уравнение, описывающее теплообмен цилиндра с окружающей средой

может быть записано в виде

					T				Q = Q1 + Q2 + Q3,	(1)
		T		4				4
где - Q = C		w			−	f			S, - тепловой поток, излучаемый цилиндрической
0
		100			100

поверхностью,

Q2 = α(Tw - Tf )× S - тепловой поток теплоотдачи,

Q3 - тепло, отдаваемое с торцов.

Нахождение степени черноты из уравнения (1) представляет сложную проблему, т.к. предполагает предварительное определение коэффициента теплоотдачи для расчета конвективной составляющей теплового потока Q2. Определение количества тепла, отдаваемого с торцов, еще более усложняет задачу. Здесь, в общем случае, необходимо рассчитать перенос тепловой энергии в окружающую среду конвекцией и радиацией.

Определения тепловых потоков, передаваемых конвекцией с цилиндрической поверхности и тепла, отдаваемого с торцов, можно избежать, если использовать метод двух эталонов.

Идея метода заключается в следующем. Берется три одинаковых цилиндра, изготовленных из одного и того же материала, но имеющих различную степень черноты поверхности. Внутри каждого цилиндра помещен электронагревательный элемент. Степень черноты двух цилиндрических поверхностей известна (белый и черный эталоны).

Если все три тела поместить в одинаковые условия и с помощью электрических нагревателей установить на поверхности каждого одинаковую температуру, то формулы стационарного теплообмена будут иметь вид:

18

T

4

Tf

4

Qr

= εrC0 S

w

−

+ αS (Tw − Tf )+ Q3 ,

100

100

4

Tf

4

T

Q0

= εr C0 S

w

−

+ αS (Tw − Tf )+ Q3 ,

100

100

T

4

T

4

Q = ε C S

w

−

f

+ αS (T − T

)+ Q ,

f

б

r 0

w

3

100

100

(2)

(3)

(4)

Здесь Qr, Q0, Qб - тепловые потоки соответственно «черного», образцового и «белого» тел.

Вычитая (3) из (2), а затем (4) из (3), получим

						T		4					Tf			4
Q − Q = C S						w			−								(ε			r	− ε		),	(5)
r	0	0	100																		0
										100
						T		4					Tf				4
Q − Q = C S						w			−								(ε				− ε		),	(6)
																						б
0	б	0	100																	0
										100
Из соотношений (5) и (6) следует
	Qr - Q0		=	Wr -W0						=				εr - ε0					,
	Q − Q W − W													ε	− ε			б
	0	б			0				б				0

где Wr, W0, Wб - мощности соответствующих электрический нагревателей. Вводя обозначение

u = Wr -W0 ,

W0 − Wб

окончательно получаем

ε =	εr + εб ×u	.
0	1 + u

19

ОПИСАНИЕ ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ

Рис.3.

Лабораторная установка (рис.3) включает три одинаковых трубчатых элемента. Одна из эталонных трубок покрыта сажей (εr = 0,95), вторая отхро-

мирована (εб = 0,2). Степень черноты образца (εо) неизвестна. Мощность нагревательных элементов регулируется с помощью автотрансформаторов. Увеличение мощности соответствует более интенсивному разогреву спирали нагревательного элемента, а, следовательно, и повышению температуры поверхности трубки. Снижение мощности ведет к понижению температуры трубчатого элемента. Ток и напряжение контролируются с помощью амперметра А и вольтметра V. ЭДС, соответствующая температуре поверхности, измеряется термопарой (4), соединенной через переключатель с потенциометром (1 - нагреватель, 2 - цилиндр, 3 - автотрансформатор).

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ Учитывая длительность процесса выравнивания температур на по-

верхности трех трубок, опыт проводят в такой последовательности:

1. При помощи автотрансформаторов устанавливается мощность нагревателей «белого» и «черного» тел, которая обеспечивает равенство температур поверхностей эталонов.

Выравнивание температур производится предварительно лаборантским составом.

20

При этом некоторая мощность нагревательного элемента образца не обеспечивает равенства температуры поверхности образца с температурой поверхности эталонных трубок.

2.Пользуясь автотрансформатором нагревательного элемента образца, необходимо добиться такого режима, когда ЭДС термопары образца сравняется

сЭДС, термопар эталонов. Это и будет говорить о равенстве температур на всех трех поверхностях.

3.После этого необходимо снять показания вольтметра и амперметра для

каждого нагревательного элемента. Мощность нагревательного элемента

W= I×Ucosj, cosj = 0,95.

4.Данные наблюдений заносят в таблицу и проводят соответствующие вычисления εо.

ЭДС, мВ	1 - образец			2 - черное тело			3	- белое тело
	I,	U,	Wo,	I,	U,	Wr,	I,		U,	Wб,
	А	B	Вт	А	B	Вт	А		B	Вт

Контрольные вопросы

1.Назовите основные законы теплового излучения.

2.Что называют поглощательной, отражательной и проницательной способностью тел?

3.Дайте определение степени черноты тела и от чего она зависит.

4.Особенности излучения газов.

5.Серые тела. Предел изменения степени черноты.

Литература

1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. - М.: Энергия, 1981.

2 Недужий И.А., Алабовский. Техническая термодинамика и теплопередача: Учеб. Пособие для ВУЗов. 2 изд., перераб. И доп. Киев: Вища школа, 1981.