Министерство образования Российской Федерации

Ухтинский государственный технический университет

________________________________________________________________

Кафедра теплотехники и теплогазоснабжения и вентиляции

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«ИССЛЕДОВАНИЕ ЛУЧИСТОГО ТЕПЛООБМЕНА»

Методические указания к лабораторной работе по курсам «Термодинамика» и «Теплотехника» для студентов специальностей:

Ухта 2012

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

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.

Описание опытной установки и методика проведения эксперимента

Изучение процесса лучистого теплообмена и факторов, влияющих на его интенсивность, проводилось калориметрическим методом с использованием имитационного моделирования.

Опытная установка состоит из нагреваемой электрическим током молибденовой нити (проволоки) 2, которая помещается в стеклянный калориметр 1 (рис. 1). Калориметр представляет из себя герметичный цилиндрический сосуд с двухслойной стеклянной оболочкой. Концы молибденовой проволоки запаяны в стенки сосуда. Проволока нагревается вследствие пропускания через нее электрического тока. В зависимости от напряжения, подаваемого на образец, температура проволоки может меняться в широких пределах. Длина молибденовой нити l составляет 0,1 м, а ее диаметр d равен 0,05 мм.

Рис. 1. Схема опытной установки по определению степени черноты образцов

1 – стеклянный калориметр; 2 – исследуемый образец; 3 – вольтметр; 4 – амперметр; 5 – регулятор напряжения; 6 – насос; 7 – хромель-копелевые термопары

Калориметр выполнен с двойными стенками, между которыми циркулирует охлаждающая вода. Значительный расход воды обеспечивает постоянство температуры поверхности внутренней полости калориметра, которая является тепловоспринимающей. Диаметр внутренней полости калориметра значительно больше диаметра проволоки. Для снижения тепловых потоков, передаваемых от нагретой проволоки к стенкам сосуда путем конвекции и теплопроводности, в сосуде создан вакуум (остаточное давление воздуха в сосуде не превышает 10^-5 мм рт. ст.). При этих условиях можно считать, что нагретая проволока передает тепло стенкам сосуда только излучением.

Электрическое напряжение U подается к молибденовой нити через регулятор напряжения - понижающий трансформатор 5 и измеряется цифровым вольтметром 3, установленными на пульте управления № 1. Сила электрического тока, проходящего через молибденовую нить, измеряется цифровым амперметром 4, расположенным также на пульте управления № 1. Показания цифровых вольтметра и амперметра может быть также сняты с экрана монитора.

Вода прокачивается через стеклянный калориметр насосом 6. Температура воды на входе tвх и выходе tвых из калориметра измеряется хромель-копелевыми термопарами 7. Электродвижущая сила термопар преобразуется в температуру, значение которой может быть снято с экрана монитора или с на пульта управления № 4.

Перед проведением исследования лаборант или преподаватель, проводящий лабораторные занятия, устанавливает на стенд модель опытной установки, подключает модель к согласующему устройству, а затем включает компьютер. Из главного меню компьютера вызывается имитационная модель лабораторной установки «Исследование лучистого теплообмена».

При проведении эксперимента лаборант или преподаватель регулирует напряжение, подаваемое на исследуемый образец. Рекомендуется устанавливать напряжение U, подводимое к молибденовой нити, в диапазоне от 1,0 до 8,0 В. Студенты для каждого из задаваемых режимов фиксируют либо с экрана монитора, либо на цифровых приборах пультов управления (№ 1, 4) параметры опытов и записывают их в таблицу опытных данных (табл. 1).

Таблица 1