Метод.для лаб

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ТЕПЛА

ИЗЛУЧЕНИЕМ

Цель работы: Познакомится с методом определения степени черноты. Изучить влияние степени чернота на нагрев.

Общие сведения

В нагретом теле всегда часть тепловой энергии превращается в лучистую, степень превращения определяется тепловым состоянием тела, его температурой. Носителем лучистой энергии являются электромагнитные

колебания с длиной волны λ , от долей микрометра до многих метров Длина волны колебаний определяется из соотношения

с =ν × λ

где с - скорость распространения колебаний (в пустоте

с = 2,99776 ×105 км / с )

ν - число колебаний в 1 с.

Основное количество тепловой энергии при температурах печей переносится электромагнитными колебаниями с длинами волн 0,6-50 мкм.

За единицу лучистой энергии принимают количество ее, эквивалентное 1 Дж. Энергия Q, излучаемая телом в единицу времени, выражается в ваттах. Количество энергии, излучаемое единицей поверхности в единицу времени, называется излучательной или лучеиспускательной способностью тела и обозначается буквой Е.

Следовательно, Е = QF Вт / м2 ; Е = q - тепловому потоку излучением.

Интенсивность излучения представляет собой энергию, излучаемую телом в диапазоне длин от λ до λ + dλ , отнесенную к рассматриваемому интервалу длин волн dλ ,

Iλ = dEdλ Вт /(м2 × мкм)илиВт / м3

Лучеиспускание свойственно всем телам, и каждое из них излучает энергию непрерывно. Лучистая энергия распространяется в лучепрозрачной среде и пустоте. Попадая на поверхность другого тела или в лучепоглощающую среду, лучистая энергия поглощается, отражается или проходит полностью или частично в зависимости от свойств тела, характеризуемых коэффициентами поглощательной способности тела А, отражательной способности R и способности пропускать лучистую энергию D. A+R+D=l.

В зависимости от свойств различают:

41

а) абсолютно черное тело, которое способно поглощать лучи всевозможной длины от 0 до бесконечности и поглощает их на 100%. A=l, R=0, D=0:

б) абсолютно белое тело, способное отражать всю падающую на него лучистую энергию. А=0, R=l, D=0; если отражение происходит правильно, то тело называют зеркальным;

в) прозрачное тело, способное пропускать сквозь себя всю падающую на него лучистую энергию. А=0, R=0, D=l;

г) серое тело, способное поглощать волны всевозможной длины от 0 до бесконечности поглощение неполное. <100%. и степень поглощения лучей различной длины волны одинакова. Непоглощенные лучи серое тело отражает. Серые тела различаются способностью поглощения лучистой энергии, степенью черноты ε (относительным коэффициентом излучения);

д) цветное тело или селективное обладает способностью поглощать и отражать лучи различной длины волны по-разному;

е) тело с монохроматической лучеиспускательной способностью излучает лучи в узком диапазоне длин волн.

Всякое тело излучает энергию, но и отражает лучи, падающие на него от излучения окружающих тел. Фактически мы замеряем приборами и ощущаем суммарное, а не собственное излучение тела. Это фактическое излучение тела, состоящее из собственного и отраженного излучения, называется эффективным излучением. Так как падающее излучение определяется температурой и свойствами окружающих тел, то физические качества собственного и отраженного излучения не одинаковы, их спектры различны. Однако для тепловых расчетов это различие не имеет значения, поскольку

втеплопередаче рассматривается лишь энергетическая сторона процесса. Тепловое излучение в сильной мере зависит от температуры. Максимум

тепловой энергии при данной температуре испускается абсолютно черным телом и количественно определяется законом Стефана-Больцмана:

Q =σ0 ×T04 × F;

где σ - коэффициент излучения абсолютно черного тела,

0

5,7 ×10−8 Вт / м2 × К 4 ;

Т0 - абсолютная температура абсолютно черного тела;

F - площадь излучательной поверхности, м2 ;

Реальные тела являются серыми и для них закон Стефана-Больцмана имеет вид:

Q = σ ×T 4 × F = ε ×σ0 ×T 4 × F,

42

где σ - коэффициент излучения серого тела, ε = σ ; σ0

Т - абсолютная температура серого тела.

В рассматриваемой лабораторной работе процесс передачи тепла излучением происходит от разогретой муфельной печи к жидкости разного цвета. Так как начальная температура жидкости равна 20 0C , то с допущением (с учетом рассеивания небольшой части излучаемой энергии в окружающую среду) можно записать тепловой баланс:

Qпечи = Qводы ;

Qпечи = σ0 ×ε ×Тпечи4 × Fок ×τ

где σ0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела; Т - температура печи, К;

Fок - площадь окна печи, м; τ - время нагрева, с.

Qводы = Св × mв × (tкон - tнач ) ×τ

где Св - теплоемкость воды равная;

tкон - конечная температура воды, 0С ; tнач - начальная температура воды, 0С ; mв - масса воды;

τ - время нагрева, сек.

Но количество тепла поглощаемая водой может быть определена по следующей формуле:

Qводы = σ0 ×εж ×Тводы4 × Fж ×τ

где σ0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела равный

5,7 ×10−8 Вт / м2 × К4 ; εж - степень черноты жидкости;

Тв4 = [(tкон - tнач ) + 273]4 ;

τ- время нагрева, сек.

Fж - площадь поверхности жидкости, воспринимающей тепло;

43

Принимаем Fж ≈ Fок

Тогда степень черноты жидкости, находящейся в сосуде можно определить по следующей формуле:

ε= Qводы

жQпечи

Приборы и материалы: две муфельные печи, два прозрачных сосуда, секундомер и термометры

Порядок проведения работы

Предварительно разогреваем муфельные печи до температуры 700 0С . В сосуд А и Б наливаем по 2 литра воды и в сосуд А добавляем темный краситель. В результате в сосудах находится вода разного цвета. После чего

замеряем температуры воды в сосудах ( tнач ). Ставим сосуды на подставки

напротив каждой муфельной печи так чтобы окно печи было напротив каждого сосуда. Через каждые 5 минут выполняем замер температуры в сосудах А и Б. Результаты замеров заносим в таблицу 3. По команде преподавателя опыт прекратить. По окончания опыта произвести расчеты и построить график зависимости температуры от времени в сосудах А и Б. Написать вывод.

Рисунок 19. Сема установки 1 - Муфельная печь, 2 - Сосуд с водой, 3 - термометр.

Таблица 7.1 - Журнал наблюдений.

44

Время	Температура	Температура в	Температура в
замеров	печи, °С	сосуде А, °С	сосуде Б, °С
0
5
10
15
....

Обработка экспериментальных данных

1. Определяем количества тепла излучаемое муфельной печью

Qпечи = σ 0 × ε × Тпечи4 × F ×τ

где σ 0 - приведенный коэффициент излучения абсолютно черного тела рав-

ный 5,7 ×10−8 Вт / м2 × К 4 ':

ε - степень черноты муфеля 0,8; Т - температура печи К;

F - площадь окна печи равная 0,0162 м2 ; τ - время нагрева сек.

2.Определяем количество тепла пошедшее на нагрев воды для сосудов А и Б.

QводыА = Св × mв × (tконA - tнач ) ×τ

QводыБ = Св × mв × (tконБ - tнач ) ×τ

где Св - теплоемкость воды равная 4,18 Дж / кг × град ; tконA ,tконБ - конечная температура воды в сосуде А и Б °С;

mв - масса воды 2 кг; τ - время нагрева сек.

tнач - начальная температура воды, равная 20 °С; 3.

3. Определяем степень черноты жидкости в сосудах А и Б.

45

А	QА			QБ
εж =	вод	,	εжБ =	вод	,
	Qпечи			Qпечи

Контрольные вопросы

1.Что такое степень черноты?

2.Чему равна степень черноты абсолютно серого тела?

3.Что такое поглощательная способность тела?

4.Что такое отражательная способность тела?

5.Чем передастся основное количества тепловой энергии при температурах?

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ:

1.Работу начинать только с разрешения преподавателя.

2.Подключать электрические приборы с разрешения преподавателя.

3.Аккуратно обращаться с измерительными приборами.

4.По окончанию работы все переносные приборы сдаются преподавателю (лаборанту).

Перечень ссылок

1.Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи – М. :Энергия. 1977.

2.Теория, конструкция и расчеты металлургических печей.: - 2-е изд.., перераб и доп. - М: Металлургия. 1986. - 376 с.

3.Теплотехника. Щукин А.А.. Сушкин И.Н. и др. – М.: Металлургия. 1973.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

46

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТОЙКОСТИ ОГНЕУПОРНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Цель работы: ознакомиться с методикой определения термической стойкости огнеупорных материалов, определить эту стойкость для нескольких огнеупорных изделий.

Основные теоретические положения

В процессе работы и остановок металлургических печей в рабочем пространстве наблюдаются большие колебания температур, которые ускоряют износ кладки. Свойство огнеупорных материалов сопротивляться повторным температурным колебаниям не разрушаясь, называется термической стойкостью. Это очень важное свойство, которое необходимо учитывать при подборе огнеупорного материала для кладки различных элементов металлургических печей.

Причиной разрушения огнеупорных материалов вследствие наличия температурных колебаний являются напряжения сдвига в материалах.

Величина напряжения сдвига зависит от толщины тела, коэффициента термического расширения β и температурного градиента. На величину же

температурного градиента влияет коэффициент температуропроводности, который характеризует скорость распространения температуры в материале и определяется комплексом физических величин по формуле:

а =	3,6λ ,	(1)
	сρ

где λ - коэффициент теплопроводности, Вт /(м ×0 С);

с– теплоемкость, кДж /(кг ×0 С);

ρ- плотность материала, кг / м3

Если выразить λ в ккал /(м × ч ×0 С) и с в ккал /(кг ×0 С) , то получим:

а =	λ	,	(2)
	сρ

Приближенная зависимость для термической устойчивости огнеупорного материала описывается уравнением для случая нагрева огнеупорного изделия

	Кt	=	lmax × a	,	(3)
			β

47

где lmax - максимальное касательное смещение; а - коэффициент температуропроводности;

β- коэффициент термического расширения;

К- коэффициент пропорциональности.

Уравнение термической устойчивости для случая охлаждения огнеупорного изделия

	Кt = K	lmaxd	(4)
		β

где lmax - величина максимального удлинения.

Таким образом, термическая устойчивость огнеупорных материалов прямо пропорциональна величине максимально возможной упругой деформации, коэффициенту температуропроводности и обратно пропорциональна коэффициенту термического расширения.

Кроме этих величин, большие влияния на термическую устойчивость огнеупорных изделий оказывают толщина, форма изделий и способ их изготовления.

Сложность непосредственного определения модулей растяжения и сдвига при различных температурах затрудняет широкое использование этих зависимостей для оценки термостойкости огнеупорных изделий. Кроме этого, приводимая выше зависимость термической стойкости от ряда физических свойств не учитывает особенности строения и форму изделия.

При температурах выше 800-1000 °С огнеупорные материалы постепенно приобретают способность к остаточной пластической деформации. Возникающие напряжения при этих температурах могут уравниваться за счет пластических смещений в огнеупорном изделии. Следовательно, колебания степени нагрева в температурной области пластических деформаций не могут вызвать такого разрушения, как в области только упругой деформации, т.е. при низких температурах.

Поэтому из-за сложности и несовершенства расчетного метода определения термостойкости прибегают к непосредственному ее определению по числу водяных теплосмен.

В соответствии с ГОСТ 7875-56 изделие последовательно нагревается до 850 °С и охлаждается в проточной холодной воде до разрушения. По величине таких теплосмен определяют термическую устойчивость

Порядок проведения работы

48

Термостойкость огнеупорных изделий определить в такой последовательности:

1.Испытываемые образцы из шамотных, динасовых и магнезитовых огнеупоров предварительно взвесить с точностью до 1 г.

2.Образцы поместить в печь и нагревать в течение 15 мин до температуры 850 °С.

3.С помощью клещей образцы извлечь из печи и немедленно погрузить

вемкость с водой, выдерживая в течение 1 мин.

4.Затем образцы извлечь и поставить на стол для воздушной отпарки в течение 2-3 мин. Такой цикл, состоящий из трех операций,

называется водяной теплосменой. После каждой теплосмены образец взвешивать.

5.Испытания продолжать до потерь образцами 20 % первоначальной массы.

6.Выполнять эскизы образцов с указанием видов образовавшихся трещин.

Результаты испытаний занести в табл. 8.1. Данные опыта сравнить с данными табл. 8.2.

Таблица 8.1 - Результаты опытного определения термостойкости огнеупорных кирпичей

№	Наименование образца огнеупорного		Число	Характер
п/п	изделия		водяных	трещин
			теплосмен
Таблица 8.2 - Термическая стойкость различных огнеупоров
	Наименование огнеупора	Число водяных теплосмен
	Динасовые		1-3
	Шамотные плотные		10-25
	Шамотные легковесные		7-12
	Магнезитовые		2-15

Указания к оформлению отчета о работе

49

Отчет о работе должен содержать:

1.Цель работы и задание.

2.Краткое теоретическое положение

3.Журнал наблюдений (табл. 8.1).

4.Выводы.

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ:

1.Посадку огнеупора в электрическую печь и охлаждение его в проточной воде следует производить только в присутствии преподавателя.

2.Транспортировку нагретых образцов огнеупоров можно осуществлять

только с помощью щипцов.

3. Во избежание попадания брызг горячей воды перед вводом образцов в воду необходимо надеть защитные очки или использовать щиток с прозрачным стеклом.

Контрольные вопросы

1.Что называется термостойкостью огнеупорного изделия?

2.Какие причины приводят к разрушению огнеупорных изделий?

3.Какие огнеупоры обладают повышенной термической стойкостью?

Рекомендуемая литература

1.Металлургическая теплотехника: В 2 т. Т.2. Конструкции и работа печей: Учеб, для вузов / В.А.Кривандин, И.Н.Неведомская, В.В.Кобахидзе и др. - М.: Металлургия, 1986.

2.ГОСТ 7875-56. Огнеупорные изделия. Метод определения термической стойкости: Введ, 10.08.56. - М.: Изд. стандартов, 1956.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

50