новая папка 1 / 695260
.pdfCopyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3222
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра промышленной теплоэнергетики
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ТВЁРДЫХ ТЕЛ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторной работе
по дисциплине
«Тепломассообмен»
В.Я. Губарев, А.Г. Арзамасцев, А.Г. Ярцев
Липецк Липецкий государственный технический университет
2019
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра промышленной теплоэнергетики
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ТВЁРДЫХ ТЕЛ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторной работе
по дисциплине
«Тепломассообмен»
В.Я. Губарев, А.Г. Арзамасцев, А.Г. Ярцев
Липецк Липецкий государственный технический университет
2019
2
УДК 621.036 (07)
Г93
Рецензент – д-р техн. наук, проф. В.Д. Коршиков
Губарев, В.Я.
Г93 Исследование теплового излучения твёрдых тел [Текст]: метод. указания
клабораторной работе по дисциплине «Тепломассообмен» / В.Я. Губа-
рев, А.Г. Арзамасцев, А.Г. Ярцев. – Липецк: Изд-во Липецкого государ-
ственного технического университета, 2019. – 16 с.
В методических указаниях предложена методика экспериментального оп-
ределения степени черноты и коэффициента полезного действия излучателя.
Методические указания предназначены для студентов 3-го курса направ-
ления «Теплоэнергетика и теплотехника» для выполнения лабораторной рабо-
ты по дисциплине «Тепломассообмен».
Табл.2. Ил.1. Прил.1. Библиогр.: 2 назв.
© ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет», 2019
3
1. Общие положения
Цель работы: определение значений степени черноты и коэффициента полезного действия излучателя, построение зависимостей этих параметров от температуры излучателя.
Перенос тепла излучением – один из основных механизмов теплообмена,
и учёт излучения является обязательным для большинства высокотемператур-
ных теплотехнических систем. Тепловое излучение представляет собой процесс распространения внутренней энергии излучающего тела путем электромагнит-
ных волн. Эти волны испускаются при энергетических переходах заряженных частиц излучающего тела, происходящих вследствие теплового движения ато-
мов и молекул.
Излучение характеризуется длиной волны или частотой колебаний. Все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу и различаются лишь длиной волны. Наибольшая доля энергии при тепловом излучении пере-
носится электромагнитными волнами длиной 0,8-40 мкм. Распределение энер-
гии излучения по длинам волн характеризуется спектром. Большинство твёр-
дых и жидких тел имеет сплошной (непрерывный) спектр излучения, т.е. излу-
чает энергию всех длин волн. К твёрдым телам, имеющим непрерывный спектр излучения, относятся непроводники и полупроводники электричества, металлы с окисленной шероховатой поверхностью. Металлы с полированной поверхно-
стью, газы и пары характеризуются селективным (прерывистым) спектром из-
лучения.
Важным понятием теории излучения является интенсивность (яркость)
излучения. Интенсивностью излучения называется количество лучистой энер-
гии, испускаемое в направлении угла ψ в единицу времени элементарной пло-
щадкой в пределах единичного элементарного телесного угла, отнесенное к проекции этой площадки на плоскость, ортогональную к направлению излуче-
ния:
4
I |
|
|
Iψλ |
; I |
Iψ |
, |
(1) |
λ |
|
cosψ |
|||||
|
|
cosψ |
|
|
|||
|
|
|
|
|
где Iλ, I – интенсивности спектрального и интегрального излучений; ψ –
угол между направлением излучения и нормалью к поверхности.
Согласно закону Планка, интенсивность излучения абсолютного черного зависит от температуры и длины волны. Помимо этого, для любого реального тела интенсивность излучения зависит ещё и от природы тела, состояния по-
верхности, а для газов – ещё от толщины слоя и давления. Для любой темпера-
туры интенсивность излучения возрастает от нуля при λ=0 до своего наиболь-
шего значения при определенной длине волны, а затем убывает до нуля при
λ=∞. При повышении температуры интенсивность излучения для каждой длины волны возрастает. При этом максимум интенсивности излучения смещается в сторону более коротких волн. Длина волны λмакс в миллиметрах, отвечающая максимальному значению интенсивности излучения, определяется законом смещения Вина:
λ |
|
2,9 |
. |
(2) |
макс Т
Твёрдые тела излучают и поглощают энергию тонким поверхностным слоем, поэтому в теории излучения рассматривают теплообмен между поверх-
ностями твердых тел, которые произвольно расположены в пространстве.
Энергия излучения, испускаемая произвольной поверхностью в единицу времени по всевозможным направлениям полупространства и соответствующая узкому интервалу длин волн от λ до λ+dλ, называется монохроматической,
спектральной или однородной излучательной способностью (Qλ). Суммарное излучение с поверхности тела по всем длинам волн спектра называется инте-
гральной или полной излучательной способностью (Q).
Величина излучательной способности, испускаемой с единицы поверхно-
сти, носит название поверхностной плотности потока интегрального излучения:
5
E |
dQ |
. |
(3) |
|
|||
|
dF |
|
|
Излучательная способность со всей поверхности выразится интегралом |
|||
Q EdF . |
(4) |
||
F |
|
||
Если плотность потока интегрального излучения |
для всех элементов по- |
верхности излучающего тела одинакова, то зависимость (4) переходит в соот-
ношение
(5)
Отношение плотности потока интегрального излучения, испускаемого в бесконечно малом интервале длин волн, к величине этого интервала длин волн называется спектральной плотностью потока излучения
Eλ |
dE |
. |
(6) |
|
|||
|
dλ |
|
Обычно тело участвует в лучистом теплообмене с другими телами. Энер-
гия излучения других тел, попадая на поверхность данного тела извне, частично поглощается, частично отражается, а часть её проходит сквозь тело. Количество лучистой энергии, падающее на данное тело в поле излучения, обозначается че-
рез Qпад или Епад. Часть падающей энергии излучения, поглощенной данным те-
лом, обозначается как Qпогл или Епогл. При поглощении лучистая энергия вновь превращается во внутреннюю энергию.
Плотность потока поглощающей лучистой энергии Епогл, Вт/м2
Eпогл А Епад , |
(7) |
где А – интегральный коэффициент поглощения тела.
Тела, которые поглощают всю падающую на них энергию, называются абсолютно черными (А=1). Такое тело воспринимается зрением как черное те-
ло; отсюда происходит название абсолютно черного тела. Если поверхность по-
глощает все лучи, кроме световых, она не кажется черной, хотя по лучистым свойствам она может быть близка к абсолютно черному телу, поскольку имеет
6
высокую поглощательную способность (например, лёд и снег А=0,95-0,98). Те-
ла, для которых спектральный коэффициент поглощения Аλ не зависит от дли-
ны волны, называются серыми телами.
Часть падающей энергии, которую поверхность данного тела отражает обратно окружающим его телам, носит название плотности потока отраженного излучения Еотр, Вт/м2
Eотр R Епад , |
(8) |
где R – интегральный коэффициент отражения тела. Если R=1, то поверхность тела называют зеркальной (блестящей) или абсолютно белой.
Часть падающей энергии излучения, проходящая сквозь тело, называется плотностью потока пропускаемого излучения Епроп, Вт/м2
Eпроп D Епад , |
(9) |
где D – интегральный коэффициент пропускания тела. Тела, имеющие коэффи-
циент пропускания, равный единице, называются прозрачными или диатермич-
ными (тонкие слои сухого воздуха, слои одноатомных газов).
Тела, характеризующиеся величиной 0<D<1, называют полупрозрачными
(стекло, кварц, сапфир). Для многих твёрдых и жидких тел коэффициент про-
пускания принимается равным нулю, так как они являются практически непро-
зрачными.
Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость плотности потока интегрального полусферического излучения от температуры. Для поверхност-
ной плотности потока интегрального излучения Е0, Вт/м2 этот закон можно вы-
разить следующим образом: |
|
|
E σ T 4 |
, |
(10) |
0 |
|
|
где σ – постоянная Стефана-Больцмана, σ=5,67∙10-8 Вт/(м2∙К4).
Для удобства практических расчётов последняя зависимость представля-
ется в следующем виде:
7
|
|
|
T |
4 |
|
|
E0 |
c0 |
|
|
|
, |
(11) |
|
||||||
|
|
100 |
|
|
|
где с0 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, с0=5,67 Вт/(м2∙К4).
Закон Стефана-Больцмана может быть применен к серым телам. В этом случае используется положение о том, что у серых тел собственное излучение пропорционально абсолютной температуре в четвёртой степени, но энергия из-
лучения меньше, чем энергия излучения абсолютно черного тела при той же температуре. Для серых тел этот закон примет вид:
|
|
|
T |
4 |
|
T |
4 |
|
|
E ε E0 |
ε c0 |
|
|
|
c |
|
|
, |
(12) |
|
|
||||||||
|
|
100 |
|
100 |
|
|
|
где ε=Е/Е0=с/с0 – интегральная степень черноты серого тела; с – его коэффици-
ент излучения, Вт/(м2∙К4).
Таким образом, интегральной степенью черноты называется отношение поверхностной плотности потока собственного интегрального излучения к его величине для абсолютно черного тела при той же температуре. Интегральная степень черноты серого тела зависит от природы тела, его температуры и со-
стояния поверхности (спектральная степень черноты зависит ещё от длины
волны).
Закон Кирхгофа устанавливает количественную связь между энергиями излучения и поглощения поверхностями серых и абсолютно черных тел. Этот закон можно получить из баланса лучистой энергии для излучающей системы,
состоящей из относительно большого замкнутого объема с теплоизолирован-
ными стенками и помещенных в него тел. Для каждого из этих тел в условиях термодинамического равновесия энергия излучения равна поглощенной энер-
гии: E1 Eпогл1 А1 Епад1 А1 |
Е0 ; |
E2 Eпогл2 А2 Епад2 |
А2 Е0 ; ... , откуда |
получается |
|
|
|
E1 / A1 |
E2 |
/ A2 ... E0 f (T ) . |
(13) |
8
Зависимость (13) выражает закон Кирхгофа: отношение излучательной способности тела к его коэффициенту поглощения одинаково для всех серых тел, находящихся при одинаковых температурах, и равно излучательной спо-
собности абсолютно черного тела при той же температуре.
Используя формулы (12) и (13), получаем
E ε E0 A E0 ,
следствием чего является численное равенство степени черноты и коэффициен-
та поглощения тела: ε=А.
Закон Стефана-Больцмана определяет суммарное излучение поверхности тела по всем направлениям полупространства. Энергия излучения, которая ис-
пускается телом по отдельным направлениям, устанавливается законом Лам-
берта (или законом косинусов) – поток излучения абсолютно черного тела в данном направлении пропорционален потоку излучения в направлении норма-
ли к поверхности и косинусу угла между ними: |
|
Eψ En cosψ , |
(14) |
где Еn, Еψ – соответственно плотность потока поверхностного излучения в на-
правлении нормали к поверхности и в произвольном направлении под углом ψ к нормали; ψ – угол между направлением излучения и нормалью к поверхности.
Наибольшее количество энергии излучается в перпендикулярном направ-
лении к поверхности излучения, т.е. при ψ=0°. С увеличением ψ количество энергии излучения уменьшается и при ψ=90° равно нулю.
2.Экспериментальная установка
Вработе применен калориметрический метод измерения, основанный на непосредственном измерении подводимого к телу тепла и на исключении дру-
гих механизмов теплообмена.
9
Для реализации калориметрического метода измерений в установке ис-
пользован ряд принципиальных решений:
1)электронагрев излучающего тела, что позволяет легко и с достаточно высокой точностью рассчитать подведенную мощность;
2)вакуумная изоляция излучающего тела от тепловоспринимающей по-
верхности, что позволяет практически полностью исключить перенос тепла те-
плопроводностью и конвекцией;
3) в качестве излучающего тела выбрана тонкая и длинная вольфрамовая проволока, что позволяет существенно снизить отвод тепла теплопроводностью в токопроводящие электроды.
Общий вид экспериментальной установки приведен на рисунке.
Рис. Экспериментальная установка
10