Лабораторна робота № 3 Дослідження температур та радіаційних характеристик системи двох сірих поверхонь

Мета роботи

Метою лабораторної роботи є дослідження характеристик системи, яка складається з двох сірих поверхонь, розділених діатермічним середовищем.

Теоретичні положення

В високотемпературних промислових печах раціональний теплообмін є основним способом передачі теплової енергії від первинного теплоносія (піч) до нагріваючого виробу. Тому значення закономірностей променевого теплообміну між випромінюючими поверхнями викликає серйозний практичний інтерес. Предметом дослідження в даній лабораторній роботі є система двох концентрично розташованих циліндричних поверхонь, одною із яких є внутрішня поверхня муфеля нагрівальної печі, а другої – бокова поверхня циліндричного стального зразка. Якщо знехтувати конвективною складовою, то величину наслідкового теплового потоку від поверхні муфеля до поверхні зразка можна визначити наступним способом

(3.1)

де σ_пр – приведений коефіцієнт випромінювання системи двох поверхонь, Вт/(м²∙К);

F₁ – бокова внутрішня поверхня муфеля, м²;

Т₁ – температура внутрішньої поверхні муфеля, К;

Т₂ – температура зовнішньої поверхні зразка, К (рис 3.1);

Наслідковий потік тепла Q можна також визначити по формулі стаціонарної теплопроводності справедливої для плоскої стінки при регулярному режимі

(3.2)

де F₂ – бокова поверхня стального зразка, м²;

λ – його коефіцієнт теплопровідності, ;

R₂ – радіус зразка, (0,04 м);

∆Т – перепад температури по зрізу зразка ;

Т₃ – температура центра зразка, К.

Прирівнюючи вирази (3.1) і (3.2) маємо

.

Враховуючи, що

де ℓ - довжина зразка, а R₁ – внутрішній радіус муфеля (R₁ = 0,057м) одержуємо

(3.3)

Визначивши значення σ_пр, можна найти приведену ступінь чорноти системи

(3.4)

де σ_о – стала Стефана-Больцмана або коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла

Для визначення ступеня чорноти поверхні муфеля при відомій ступені чорноти поверхні зразка використовуємо співвідношення [1] (3.5)

де кутові коефіцієнти

ε₁ – ступінь чорноти внутрішньої поверхні муфеля (шукана величина);

ε₂ – ступінь чорноти поверхні зразка (ε₂ = 0,85)

Перетворюючи формулу (3.5), находимо

(3.6)

Формули (3.3), (3.4), (3.6) будуть використані в подальшому для визначення раціональних характеристик системи (приведеного коефіцієнту випромінювання, приведеної ступені чорноти, ступені чорноти поверхні муфеля).

Визначають термічні напруження на поверхні , Па, та в центрі , Па, зразка: ,

де , , .

Опис лабораторної установки

Лабораторна установка (рис. 3.1) включає в себе наступне:

1 – муфельна нагрівальна електрична піч опору; 2 – керамічний муфель (внутрішній радіус 0,057 м); 3 – стальний зразок (діаметр 0,040 м); 4 – нагрівник; 5 – термопара ХА (поверхня зразка); 6 – термопара ХА (центр зразка); 7 – перемикач термопар (положення 1 – термопара 5, положення 2 – термопара 6); 8 – термопара ПП (внутрішня поверхня муфеля); 9 – амперметр; 10 – вольтметр; 11 – мілівольтметр (градуіровка ХА); 12 – мілівольтметр (градуіровка ПП); 13 – вимикач; 14 – вимикач.

Порядок проведення роботи

Вимикачами 13 дати постачання на щит, а 14 – на піч. При досягненні температури внутрішньої поверхні муфеля Т₁ = 600 ^оС виміряти температуру поверхні Т₂ і центр зразка Т₃. Дослід повторити при Т₁ = 650, 700, 750, 800 ^оС.

Використовуючи формули (3.3), (3.4) і (3.6) розраховувати значення σ_пр, ε_пр, ε_{1, і} .

10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

11

12

13

14

І

ІІ

о 1

о 2

о 3

о 4

о 5

о 6

о 1

о 2

о 3

о 4

о 5

о 6

Рисунок 3.1 – Схема лабораторної установки

Експериментальні і розрахункові дані занести в таблицю 3.1.

Таблиця 3.1. – Лабораторні дані

№ п/п	t1, ^оC	t2, ^оC	t3, ^оC	∆t, ^оC	σпр, Вт/(м^2К^4)	εпр	ε1
1 … 5

Зробити висновки про залежність радіаційних характеристик та термічних напружень від температури випромінювачів.

Вимоги до оформлення звіту

В змісті звіту повинні бути відображені:

• мета роботи;

• стосовні теоретичні положення;

• опис лабораторного обладнання;

• порядок проведення роботи;

• необхідні розрахунки;

• таблиця експериментальних і розрахункових даних;

• графіки, які виконані на міліметровому папері.

Перелік контрольних запитань

1. Температурні напруження

2. Закон Стефана-Больцмана.

3. Закон Фур’є.

4. Ступінь чорноти. Приведена ступінь чорноти.

5. Коефіцієнт випромінювання.