Часть 2 Основы теплопередачи

стенки; tсн=0,5(tсн1+tсн10), °C; tв – температура воздуха, окружающего трубку, °C. Принимаем ~ 5 Вт/(м2*К). Тогда из (4) получаем

воздуха внутри трубки по ее длине изменяется линейно, ее можно рассчитать по уравнению:

Результаты обработки опытных данных записать в табл. 4 и табл. 5 для двух серий опытов.

Таблица 4

- 171 -

Таблица 5

, Вт/(м2·К)

2. Рассчитать среднюю скорость воздуха внутри трубки для каждого опыта, которая определяется из уравнений массового расхода

матической вязкости воздуха при его средней температуре.

3. Построить график зависимости местного коэффициента теплоотдачи от продольной координаты x для двух скоростей движения

участка термической стабилизации, на котором коэффициент теплоотдачи уменьшается от значения max на входе в трубу до предельного значения, равного ∞ на участке стабилизированного теплообмена.

4.Провести обобщение результатов измерений для области

-172 -

Задача сводится к отысканию вида функции, то есть к определению показателя степени n и константы С на основе данных опыта, так как теория подобия явный вид функции не раскрывает. С этой целью для каждого опыта необходимо рассчитать

Провести через точки 1 и 2 прямую, уравнение которой имеет вид

В этом уравнении

Для любой точки, лежащей на прямой 1-2, рассчитать коэффициент С:

- 173 -

Сравнить полученное уравнение с уравнением, представленным в литературе. Для расчета среднего коэффициента теплоотдачи при вынужденном турбулентном движении воздуха в трубе в литературе

приводится уравнение подобия Nuжd 0,018 Reж0,8d .

Согласно третьей теореме подобия полученное уравнение подобия можно использовать для расчета для подобных процессов теплоотдачи в области изменения определяющих чисел подобия, охваченных в эксперименте. В данной работе определяющим числом подобия является число Re.

Контрольные вопросы

1.Что следует понимать под терминами «конвективный теплообмен» и «теплоотдача»?

2.Закон Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Его физический смысл и размерность.

3.Экспериментальная установка для исследования процесса теплоотдачи при вынужденном турбулентном движении воздуха внутри трубы.

4.Особенности процесса теплоотдачи при вынужденном турбулентном движении воздуха на начальном участке трубы.

5.Как рассчитать местные коэффициенты теплоотдачи на основе данных опыта?

6.Как изменяются местные коэффициенты теплоотдачи в зависимости от продольной координаты на начальном участке?

7.Как влияет изменение местных коэффициентов теплоотдачи на начальном участке на средний коэффициент теплоотдачи?

8.Как влияет скорость движения воздуха на интенсивность процесса теплоотдачи?

9.Уравнение подобия, описывающее процесс теплоотдачи в общем виде.

10.Как установить явный вид уравнения подобия на основе данных опыта? Как записать уравнение подобия, описывающее процесс

- 174 -

теплоотдачи при вынужденном турбулентном движении воздуха внутри трубы?

11.Какова область применения уравнения подобия, описывающего процесс теплоотдачи при вынужденном турбулентном движении воздуха внутри трубы?

Литература

1.Теплофизические свойства теплоносителей и рабочих тел энерготехнологических процессов и установок: метод. указания /сост.: В.А. Аляев [и др.]. – Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та. 2000. –

64 с.

2.Нащокин, В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: учебник / В.В. Нащокин. – М.: Высш. школа, 2008. – 496 с.

3.Исаченко, В.П. Теплопередача: учебник / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. – М.: Энергия, 1981. – 416 с.

4.Практикум по теплопередаче / А.П. Солодов и [др.] – М.: Энергоатомиздат, 1986 – 296 с.

- 175 -

Лабораторная работа № 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ МЕТАЛЛОВ

Тепловое излучение

Тепловое излучение есть процесс распространения внутренней энергии излучающего тела в пространстве путем электромагнитных волн. Возбудителями электромагнитных волн являются сложные внутриатомные и внутримолекулярные возмущения, в результате которых внутренняя энергия нагретого тела частично превращается в энергию теплового излучения. Таким образом, носителем теплового излучения являются электромагнитные волны. Все виды электромагнитного излучения (космическое, гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, световое, инфракрасное, радиоволны) имеют одинаковую природу и различаются только длиной волны.

Электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью света, равной 3·108 м/с. Следует отметить, что природа теплового излучения существенно отличается от переноса теплоты как теплопроводностью, так и конвективным теплообменом.

Цель работы: ознакомиться с основными положениями теории теплообмена излучением; освоить экспериментальный метод определения степени черноты металлов.

Задание

1. Провести опыты по определению степени черноты нихромовой и вольфрамовой проволок калориметрическим методом при трех значениях температуры. Температура зависит от электрической мощности, подводимой к проволоке, которая задается силой тока в соответствии с вариантом задания (табл. 1)

2. Составить отчет о выполненной работе, который должен содержать: задание, основы теории (кратко), схему экспериментальной установки, таблицу опытных данных, результаты обработки и графики, выполненные на бумаге в клеточку.

- 176 -

Таблица 1

Варианты заданий для выполнения работы

Основы теории

Все тела, температура которых выше абсолютного нуля, постоянно испускают лучистую энергию и поглощают падающую на них от других тел лучистую энергию. В результате этих явлений, связанных с двойным взаимным превращением энергии (тепловая – лучистая – тепловая), и осуществляется процесс теплообмена излучением [1-4].

Наряду с теплопроводностью и конвективным теплообменом лучистый теплообмен является одним из трех элементарных видов переноса теплоты. Этот процесс вносит существенный вклад в общий теплообмен в высокотемпературных аппаратах химической технологии, например в пиролизных печах, топочных камерах и т.д. Важнейшими теплофизическими характеристиками излучающих поверхностей являются коэффициент излучения С и степень черноты .

Тепловое излучение свойственно всем телам. Излучение происходит во всем диапазоне длин волн =0. Но только в видимой и

инфракрасных областях излучения =0,4800 мкм оно значительно и обычно учитывается в технических расчетах. В этом интервале длин волн лучистая энергия поглощается телами, превращаясь в тепловую энергию, и проявляется через изменение внутренней энергии этих тел. Такое излучение называют тепловым. Ему присущи все известные нам свойства света: поглощение, отражение, преломление.

- 177 -

Основные положения теплового излучения

Полное количество энергии, излучаемое в единицу времени с

называется плотностью потока излучения тела. Если рассматривается

Q QR

QA QD

Рис. 1. Схема распределения падающего на тело теплового потока

Согласно закону сохранения энергии можно составить уравнение теплового баланса:

- 178 -

глощает весь падающий поток излучения – абсолютно черное тело

(R = 0 и D = 0);

весь падающий поток излучения – абсолютно белое тело (А=0 и D=0);

кает весь падающий поток излучения – абсолютно прозрачное тело

(А = 0 и R = 0).

Основные законы излучения

Закон Планка. Устанавливает зависимость величины спектральной плотности потока излучения абсолютно черного тела Ео от его температуры Т и длины волны :

где С1 и С2 – постоянные Планка.

Из рис. 2, на котором закон Планка представлен графически, видно, что спектральная плотность потока излучения при отдельных температурах Т=const проходит через максимум. При =0 и = эта плотность стремится к нулю. С повышением температуры плотность потока излучения значительно увеличивается. Излучение существенно только в интервале длин волн от 0,8 до 400 мкм.

Закон Вина. С каждым последующим повышением температуры Т максимум спектральной плотности потока излучения абсолютного черного тела Ео смещается в сторону более коротких длин волн – на рис. 2 показано пунктирной линией. Связь между Т и выражается законом смещения Вина:

- 179 -

Рис. 2. График зависимости Ео =f( ,Т)

Произведение длины волны, при которой имеет место максимум спектральной плотности потока излучения абсолютно черного тела, на абсолютную температуру есть величина постоянная.

Закон Стефана-Больцмана. Устанавливает зависимость интегральной плотности потока излучения абсолютно черного тела Ео от температуры Т. Проинтегрировав Ео по всему интервалу длин волн (от 0 до ), получим

где Со = 5,67 Вт/(м2 К4) – коэффициент излучения абсолютного черного тела.

Закон Стефана-Больцмана выполняется и для реальных – серых – тел. В этом случае он принимает вид

где Е – интегральная плотность потока излучения серого тела; С – коэффициент излучения данного серого тела (С Со ), С изменяется в диапазоне 0 – 5,67.

- 180 -