Описание экспериментальной установки

Лабораторная работа «Исследование теплообмена излучением»

 

Цель работы: изучение теплообмена излучением и определение степени черноты излучающего тела.

Задачи работы:

1. Экспериментальное определение коэффициента излучения и степени черноты различных тел.

2. Экспериментальное исследование зависимости степени черноты поверхностей от температуры излучающего тела.

Основные сведения

Теплообмен излучением (лучистый, радиационный теплообмен), осуществляется в результате процессов превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса энергии излучения и её поглощения веществом. Интенсивность этого обмена определяется взаимным расположением в пространстве тел, обменивающихся теплом, а так же свойствами поверхностей тел и среды, разделяющей эти тела. При этом любое тело, температура которого отлична от абсолютного нуля, испускает энергию, обусловленную нагревом тела. Это излучение называется собственным излучением тела.

Теплообмен излучением осуществляется посредством электромагнитных волн. В камерах нагревательных печей на его долю приходится 90-95% суммарного теплообмена. Электромагнитные волны распространяются прямолинейно со скоростью света и подчиняются оптическим законам преломления, поглощения, отражения. Источником этих волн являются материальные частицы, входящие в состав вещества. Для распространения электромагнитных волн не требуется материальной среды. В вакууме они распространяются со скоростью света и характеризуются длиной волны λ или частотой колебаний ν. При температуре до 1500 °С основная часть энергии соответствует инфракрасному и частично световому излучению (λ=0,7 - 50 мкм).

В общем спектре инфракрасного излучения выделяют (ИК) область излучения ближней ИК-области (λ=0,76 – 1,5 мкм); средней (1,5 – 10 мкм) и дальней (10 – 1000 мкм). При температурах до 1800 °С основная доля мощности излучения приходится на инфракрасную область спектра, не видимую глазом человека.

Следует отметить, что энергия излучения испускается не непрерывно, а в виде определенных порций — квантов. Носителями этих порций энергии являются элементарные частицы излучения — фотоны, обладающие энергией, количеством движений и электромагнитной массой. При попадании на другие тела энергия излучения частично поглощается ими, частично отражается и частично проходит сквозь тело. Процесс превращения энергии излучения во внутреннюю энергию поглощающего тела называется поглощением. Большинство твердых и жидких тел имеют сплошной спектр излучения. Газы испускают энергию только в определенных интервалах длин волн (селективный спектр излучения). Твердые тела излучают и поглощают энергию поверхностью, а газы — объемом.

Излучаемая в единицу времени энергия в узком интервале изменения длин волн Δλ называется потоком монохроматического излучения Q_λ. Поток излучения, соответствующий всему спектру, называется интегральным, или полным, лучистым потоком Q (Вт). Интегральный лучистый поток, излучаемый с единицы поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства, называется плотностью интегрального излучения (Вт/м2).

Каждое тело не только излучает, но и поглощает лучистую энергию. Из всего количества падающей на тело лучистой энергии (Q_пад) часть ее (Q_пог) поглощается, часть (Q_от) отражается и часть (Q_пр) проходит сквозь тело. При этом А+R+D=1, где А — коэффициент поглощения; R — коэффициент отражения, D — коэффициент пропускания.

Если тело поглощает все падающие на него лучи, то есть A=1, R=0, D=0, оно называется абсолютно черным.

Если вся падающая на тело энергия отражается, то R=1, А=О, D=0. Если при этом отражение подчиняется законам геометрической оптики, тело называется зеркальным; при диффузном отражении, когда отраженная лучистая энергия рассеивается по всем направлениям, — абсолютно белым.

Если D=1, то A=0 и R=0. Такое тело пропускает все падающие на него лучи и называется абсолютно прозрачным.

В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует.

При расчетах лучистого теплообмена между телами большое значение имеет результирующее излучение, представляющее собой разность между лучистым потоком, получаемым телом, и лучистым потоком, который оно испускает в окружающее пространство. Часто теплотехнические расчеты ведут на основе допущения излучения серых тел, имеющих непрерывный спектр излучения. Такое допущение упрощает решение многих теплотехнических задач, которые без него были бы неразрешимы. Собственное излучение большей части поверхностей, участвующих в теплообмене, действительно близко к серому, за исключением газов, излучение которых сугубо селективное. Для определенной длины волны отражательная, пропускательная, поглощательная способности тел характеризуют спектральные коэффициенты поглощения А_λ, отражения R_λ, пропускания D_λ.

Большинство белых поверхностей в видимом диапазоне волн обладают большим коэффициентом отражения R_λ= 0,7 - 0,9, а в ИК-диапазоне волн ведут себя как черные тела в связи с большим коэффициентом поглощения электромагнитных волн именно в этом диапазоне.

 

Описание экспериментальной установки

 

Установка (рис. 1 и 2) представляет собой три тепловые мишени диаметром 165 мм – 180 мм (в зависимости от комплектации) с электронагревателями, последовательно включенными в электрическую цепь (рис. 3). Нагреватели имеют одну и ту же мощность, одинаковым образом расположены на лицевой панели установки. Они отличаются друга лишь состоянием излучающей поверхности. Первая мишень имеет черную закрашенную поверхность, вторая - закрашенную белую, третья – полированную металлическую.

В центре каждой мишени с внутренней стороны нагревателя зачеканены хромель - копелевые термопары. Электрический сигнал с термопар подается на цифровые измерители температуры (2,5). В таблице 1 описаны сигналы отображаемые на дисплеях измерителей. Сигнал с измерителей поступает в компьютер через преобразователь. Одновременно эта же температура с наружной стороны мишени может поочередно контролироваться с помощью инфракрасного термометра с лазерным указателем участка излучающей поверхности (8). ИК- термометр закреплен на подвижной каретке с нейлоновыми втулками, свободно перемещающейся по двум горизонтальным направляющим (9), таким образом, что центры всех трех мишеней оказываются на линии перемещения лазерного пятна.

 

 

 

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки.

1 – мишень, окрашенная в черный цвет, 2 – измеритель температуры мишеней, 3 – мишень, окрашенная в белый цвет, 4 – беспроводной ИК пирометр, 5 – измеритель температур мишеней, 6 - мишень с полированной поверхностью, 7 – Автотрансформатор (ЛАТР)

 

 

Таблица 1 – Описание сигналов отображаемых измерителями ТРМ 200

 

Измеритель	Индикатор	Примечание
ТРМ 200 – левый (поз. 2 на рисунке 1)	Красный	Температура поверхности черной мишени
ТРМ 200 – левый (поз. 2 на рисунке 1)	Зеленый	Температура поверхности белой мишени
ТРМ 200 – правый (поз. 5 на рисунке 1)	Красный	Температура поверхности полированной мишени
ТРМ 200 – правый (поз. 5 на рисунке 1)	Зеленый	Температура комнатная

 

 

Рисунок 2. – фотография установки

 

Рисунок 3 – электрическая схема стенда

XP1 – вилка для подключения стенда к сети 220 В / 50 Гц, заземление обязательно!

XP2, XP3 – вилка USB для подключения к компьютеру (протокол USB 1.1)

XS1 – розетка для подключения дополнительных приборов к сети 220 В / 50 Гц, располагается сзади стенда в белом коробе. Максимальная мощность 1,5 кВт. Используется для подключения компьютера (ноутбука) при работе со стендом.

S1 – автоматический однофазный выключатель, мощность 6А (10А, 16А или 25А) в зависимости от модели стенда. Установлен на лицевой панели стенда.

S2 – выключатель подачи питания к автоматическому трансформатору со встроенным индикатором (светодиод). На стенде расположен в лицевой панели с обозначением ВК1.

La1 – индикаторная лампа, загорается при подаче к стенду питания 220В с помощью автоматического выключателя S1.

T1 – автоматический автотрансформатор подает регулируемое напряжение (0-220В) к нагревателям мишеней стенда. Мощность 500 Вт, максимальный ток 2А.

T2 – понижающий трансформатор (220 – 9 В) для измерения напряжения на мишенях, В

R1, R2, R3 – нагреватели мишеней, общее сопротивление 78 Ом.

ТРМ 200 и 202 (200 в зависимости от комплектации) – измерители сигналов с термопар. Передача данных осуществляется по протоколу RS 485 c последующим преобразованием (преобразователь АС-4) и передачи данных в компьютер по протоколу USB.

Temp1…3 – термопары, установленные на обратной стороне мишеней для измерения температуры поверхности.

Порядок выполнения

 

1. Ознакомиться с устройством лабораторной установки

2. Включить компьютер, подключить USB шнуры стенда к компьютеру.

3. Вывести на экран лицевую панель лабораторной работы «ИК излучение» (рис. 4), и запустить режим измерения температуры мишеней.

Рисунок 4. – Лицевая панель программы

 

4. Установить ИК-термометр, таким образом, чтобы лазерное пятно совпадало с центром первой мишени.

5. На лицевой панели запустите программу кнопкой «Пуск».

6. Включите ЛАТР клавишей ВК1 на панели и выведите напряжение на 90 В.

7. Определить и зафиксировать в таблице 2 температуру окружающей среды Т₀.

8. В течение 5 минут наблюдать на лицевой панели компьютерной системы измерения показания термопар (на многолучевом графике) Т₁ – черной, Т₂ – белой, Т₃ – полированной мишеней, закрепленных с внутренней сторон мишеней.

9. Сравнить показания термопар и показаний ИК-термометра..

10. Увеличить температуру нагрева мишеней до 100, 120 °С.

11. Обработать полученные данные по всем мишеням и определить степень черноты ε_j для каждой при разных температурах их поверхностей (при этом как и в формулах 2 температура берется в Кельвинах)

 

 

 

(2)

где Т_ч, Т_б, Т_п, – температура черной, белой или полированной поверхностей соответственно, измеренные термопарой, К,

Т_икч, Т_икб, Т_икп,– температура черной, белой или полированной поверхностей, соответственно, измеренные ИК пирометром, К.

T₀ – температура окружающей среды (см. зеленый индикатор правого измерителя температуры), К.

12. Обработать данные по мишеням и проверить величину коэффициента излучения по уравнению Стефана-Больцмана.

Вт/(м²*К⁴) (1)

где e - степень черноты наружной поверхности мишени,

Q – результирующий поток излучения, Вт, R – общее сопротивление всех последовательно соединенных мишеней и равно 78 Ом, а U – падение напряжения на мишенях, измеряется понижающим трансформатором и платой АЦП.

S – площадь поверхности мишени, м² r – радиус мишени 0,16 м.

T₁ – температура поверхности мишени (измеряется термопарой), К

T₀ – температура окружающей среды (см. зеленый индикатор правого измерителя температуры), К

13. Построить график зависимости степени черноты исследованных поверхностей от температуры мишеней.

14. Сравнить результаты эксперимента со справочными данными.

15. Ответить на контрольные вопросы и сделать самостоятельные выводы по лабораторной работе.

 

Таблица 2. Результаты измерения температуры излучающих поверхностей

 

№№ опытов	Уровень напряжения	Выделяемая мощность	Измеренные значения температур	Степени черноты поверхностей
В	Вт	К	К	К	К	К	К	εч	εб	εп

 

Контрольные вопросы

1. Как соотносятся между собой скорости распространения тепла при передаче его теплопроводностью, свободной или вынужденной конвекцией и тепловым излучением?

2. Что представляют собой модели абсолютного черного, абсолютно белого и серого тел, используемые в расчете лучистого теплообмена?

3. Какие из тел могут считаться абсолютно прозрачными, диатермическими средами?

4. Какие способы защиты от теплового излучения может предложить современная техника?

5. Что представляет собой экранно-вакуумная изоляция и чем объясняется ее эффективность?

6. Какие сложности в расчетах теплообмена влечет нелинейная зависимость интенсивности излучения от температуры нагретой поверхности?

7. Может ли в этом случае в полной мере использоваться модели геометрически подобных разномасштабных тел для экспериментального определения характеристик теплообмена?

 

Литература

 

1. Методические указания по выполнению лабораторных работ по теплотехнике. Северо-Западный заочный технический университет.; СПб, 2003.

2. Теория тепломассообмена. М., Энергия,-1984,- 468 с.

3. Теплотехнический эксперимент. Справочник по тепломассообмену.: М., Энергоиздат-1982, -512 с.

4. А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н. Рыжков Теплообмен излучением. Справочник: М.: Энергоатомиздат, 1991. - 431 с.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: