Лабораторная работа №3.

Определение коэффициента излучения поверхности нихромовой пластины в условиях сложного теплообмена.

Цель работы: экспериментальное определение коэффициента излучения поверхности нихромовой пластины в условиях одновременного действия процесса излучения и свободного конвективного теплообмена в неограниченном пространстве.

Теоретические основы.

Элемент, коэффициент излучения которого надо определить, находится в замкнутом, заполненном воздухом пространстве. В этом случае одна из поверхностей облекает другую. При стационарном режиме теплообмена температура Т поверхности F излучающего элемента и температура Т_n облекающей его поверхности помещения F_n постоянны. Отношение поверхностей F/F_n0.

Процесс теплообмена между поверхностями F и F_n разделены на процессы:

а) лучистого теплообмена через воздушную среду, практически прозрачную для тепловых лучей;

б) передачи тепла с помощью теплоносителя (воздуха) за счет свободного конвективного теплообмена.

Следовательно, баланс энергии при теплообмене, когда Т>Т_n может быть выражен уравнением:

, Вт, (3.1)

где Q_Э — электрическая мощность, идущая на обеспечение стационарного теплового режима пластины при температуре Т, Вт;

Q_И — лучистый поток, переданный пластиной облекающему ее телу в результате взаимного лучистого теплообмена, Вт;

Q_К — тепловой поток, снятый воздухом с поверхности горячей пластины посредством свободного конвективного теплообмена для передачи его холодной поверхности облекающего тела, Вт.

Для случая определения коэффициента излучения, когда одна из поверхностей излучения облекает другую, расчетная формула используется в виде:

, Вт, (3.2)

где с₀ — коэффициент излучения абсолютно черного тела;

с₀=5,668 Вт/(м²К⁴);

_ПР — приведенная степень черноты системы поверхностей пластины и облекающего ее тела.

Для подобной схемы:

. (3.3)

Так как у нас F/F_n0, то _ПР= . Тогда формула (3.2) может быть представлена как:

, (3.5)

с=с₀=5,668, Вт/(м²К⁴). (3.6)

Определение температуры т поверхности накаленного тела.

По мере возрастания температуры любого накаленного тела яркость его свечения увеличивается, а цвет изменяется, так как изменяется процентное соотношение лучей различных длин волн, испускаемых телом и определяющих цвет излучения.

В работе используется оптический метод определения температуры Т поверхности накаленного тела.

В оптическом пирометре с исчезающей нитью помещен эталон яркости (пирометрическая лампочка), для которого заранее способом сравнения с искусственным абсолютно черным телом установлена зависимость яркости от температуры. Доведя яркость нити эталона изменением тока накала до совпадения с яркостью накаленного тела(воспринимаемое наблюдателем как исчезновение нити лампы на фоне накаленного тела), получаем равенство монохроматических яркостей.

Черной температурой тела называется такая условная температура, которую должно иметь данное тело, чтобы испускаемое им излучение было черным. При сравнении яркостей монохроматических излучений данного тела и абсолютно черного тела температура Т_Я носит название яркостной.

Следовательно, получив в работе равенство монохроматических яркостей накаленного тела и нити эталона пирометра, определена яркостная температура Т_Я тела.

Черное тело представляет собой воображаемый идеальный излучатель, развивающий, развивающий наибольшую возможную при данной температуре мощность излучения. Если же реальное тело излучает одинаковую с черным телом энергию, то его действительная температура Т должна быть выше черной температуры Т_Я.

Если известно отношение монохроматических яркостей реального и абсолютно черного тела, т.е. известна монохроматическая (спектральная) степень черноты , для выбранного цвета излучения и нужного интервала температур, то можно расчетом перейти от яркостной температуры Т_Я к действительной температуре Т поверхности нагретого тела.