Министерство образования Российской Федерации

Российский государственный университет

нефти и газа им. И.М. Губкина

________________________________________________________________

Кафедра термодинамики и тепловых двигателей

А.Ф. Калинин, С.М. Купцов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«ИССЛЕДОВАНИЕ ЛУЧИСТОГО ТЕПЛООБМЕНА»

Методические указания к лабораторной работе по курсам «Термодинамика» и «Теплотехника» для студентов специальностей: 072000, 090600, 090700, 090900, 120100, 120500, 120600, 170200, 171700, 250100, 250400, 320700, 330500

Под редакцией проф. Б. П. Поршакова

Москва 2003

УДК 536.24

Калинин А.Ф., Купцов С.М. Лабораторная работа «Исследование лучистого теплообмена»: Методические указания к лабораторной работе по курсам «Термодинамика» и «Теплотехника». – М.: РГУ нефти и газа, 2003. - 15 с.

Приведены основные определения и расчетные соотношения лучистого теплообмена.

Представлена схема лабораторной установки для опытного определения степени черноты исследуемого образца. Изложена методика проведения лабораторной работы и обработки опытных данных.

Для контроля знаний студентов предложены вопросы.

Рецензент – К. Х. Шотиди, кандидат технических наук, доцент кафедры термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

©Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003

Цель лабораторной работы: изучение процесса лучистого теплообмена и факторов, влияющих на его интенсивность.

Содержание лабораторной работы: экспериментальное определение степени черноты тонкой молибденовой проволоки и зависимости значения степени черноты исследуемого образца от температуры.

Теоретическая часть

Теория теплообмена или теплопередача – это наука, изучающая процессы и законы передачи теплоты.

Передача теплоты представляет собой процесс обмена энергией между телами или системами тел. В связи с этим следует подчеркнуть, что теплота, как и работа, является лишь формой передачи энергии.

Передача теплоты осуществляется различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Эти способы часто называют формами передачи теплоты.

Теплопроводность представляет собой процесс передачи теплоты при непосредственном соприкосновении тел или отдельных частиц тела, имеющих разные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц тела.

Под конвекцией понимают процесс передачи теплоты при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. При этом перенос энергии неразрывно связан с перемещением самой среды.

Тепловое излучение (лучистый теплообмен) – это процесс передачи энергии путем электромагнитных волн. При тепловом излучении происходит двойное превращение энергии – внутренняя энергия излучающего тела переходит в энергию электромагнитного излучения и обратно, лучистая энергия, поглощаясь телом, переходит во внутреннюю.

В природе и технике элементарные процессы передачи теплоты – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение – очень часто происходят совместно.

В основе большей части расчетных соотношений лучистого теплообмена, используемых в технике, лежит закон Стефана-Больцмана, согласно которому полное количество энергии, излучаемое единицей поверхности абсолютно черного тела в единицу времени, пропорционально абсолютной температуре T в четвертой степени [1]

, (1)

где E₀ = q₀ – поверхностная плотность потока интегрального теплового излучения или излучательная способность абсолютно черного тела, Вт/м²; ₀ – постоянная Стефана-Больцмана, ₀ = 5,6710^-8 Вт/(м²К⁴); С₀ – коэффициент излучения абсолютно черного тела, С₀ = 5,67 Вт/(м²К⁴).

Закон Стефана-Больцмана может быть применен к серым телам. В этом случае поверхностная плотность потока интегрального теплового излучения серых тел E может быть определена из соотношения

, (2)

где ε – средняя степень черноты серого тела,

. (3)

Степень черноты характеризует излучательную способность рассматриваемого тела по сравнению с абсолютно черным и зависит от состояния поверхности тела и ее температуры. Значения степени черноты ε для различных тел находится в пределах от 0 до 1 и приводится в справочной литературе [3].

Для определения результирующего потока теплового излучения между телами любой формы при произвольном их расположении в пространстве Q_1,2 может быть использовано следующее расчетное соотношение:

, (4)

где T₁ и T₂ – температуры «горячего» и «холодного» тел, T₁  T₂; ε_1,2 – приведенная степень черноты рассматриваемой системы; F_1,2 – приведенная площадь поверхности теплообмена рассматриваемой системы.

Зависимости для определения приведенных степени черноты и площади поверхности теплообмена для каждого частного случая (определенная форма тел, расположение тел в пространстве и т.д.) приводятся в справочной литературе [3]. К примеру, если лучистый теплообмен происходит между телом, имеющим температуру T₁ и площадь поверхности F₁, и оболочкой, имеющей температуру T₂ и площадь поверхности F₂, через прозрачную среду при отсутствии экранов, то приведенная степень черноты такой системы определяется по формуле

, (5)

а приведенная площадь поверхности теплообмена рассматриваемой системы F_1,2 принимается равной площади поверхности тела, F_1,2 = F₁.