4. Описание лабораторного стенда
Определение коэффициента излучения и степени черноты электропроводящего материала проводится на лабораторной установке, реализующей метод имитационного моделирования реальных физических процессов. В состав установки входит управляющая ЭВМ, соединенная с пультом управления и рабочим участком, имитирующим реальный объект исследования. Участок выполнен для случая, когда площадь внутреннего цилиндрического тела 1 и внешней оболочки 2 соответствуют условию F2 >> F1.
Схема установки с системами электрического питания и измерения представлена на рис. 5.
Рис. 5. Схема экспериментальной установки: 1 – рабочий участок; 2 – стеклянный калориметр; 3 – токоподводы; 4 – регулятор мощности; 5 – термопары; 6 – амперметр; 7 – вольтметр; 8 – циркуляционный насос
Рабочий участок представляет собой тонкую проволоку 1 из заданного электропроводящего материала с соответствующей характеристикой излучающей поверхности F1. Проволока закреплена концами в токоподводах 3 малого электрического сопротивления. Токоподводы впаяны в стенки калориметра 2, который представляет собой стеклянный цилиндрический сосуд с двойными стенками, которые образуют вдоль всего рабочего участка водяную тепловоспринимающую оболочку. Внутренняя поверхность водяной рубашки площадью F2 принимается в качестве тепловоспринимающей поверхности внешней оболочки в замкнутой системе 2-х тел. Стекло для тепловых лучей очень мало проницаемо. Тепловое излучение от рабочего участка, пройдя через вакуумированный зазор, передается посредством теплопередачи через стеклянную стенку калориметра охлаждающей воде. При теплопередаче теплота через стенку передается посредством теплопроводности, а от стенки к воде посредством конвективного теплообмена (теплоотдачи).
Для точного определения искомых характеристик при создании экспериментальной установки необходимо было решить ряд методических задач:
исключить теплопроводность и конвективный теплообмен в зазоре между поверхностями 1-го и 2-го тел. Для этого было предусмотрено вакуумирование внутреннего пространства калориметра, в котором находится рабочий участок;
добиться минимальной потери теплоты теплопроводностью в токоподводы 3 от электрически нагреваемого рабочего участка 1. Для этого обеспечивается максимальное термическое сопротивление в местах соединений токоподводов;
избежать потерь теплоты за счет нагрева подводящих проводов. Для этого они должны иметь несопоставимо малое электрическое сопротивление по сравнению с электрическим сопротивлением рабочего участка;
добиться постоянства температуры Т1 по длине рабочего участка и Т2 тепловоспринимающей поверхности калориметра. Для этого разность температур t2 = t2вых – t2вх охлаждающей воды на выходе из калориметра и входе в калориметр должна быть минимальна, т.е. составлять 1…1,5ºC. Это достигается за счет соответствующей интенсивности циркуляции воды, обеспечиваемой насосом 8.
Тепловой поток, излучаемый поверхностью рабочего участка, определяется по мощности электрического нагревателя, которая в свою очередь определяется по показаниям амперметра 6 и вольтметра 7. Для изменения мощности электрического нагревателя в его цепь включен регулятор 4. Температура воды на входе и выходе из калориметра измеряется термопарами 5. Температура рабочего участка определяется по специальному графику зависимости электрического сопротивления рабочего участка от температуры. Определение сопротивления участка выполняется на основе закона Ома по значениям силы тока и напряжения, измеренным посредством амперметра 6 и вольтметра 7.