Дослідження тепловіддачі тіл радіацією

 

7.1. Основні теоретичні положення

 

Усі тіла, які мають температуру 0 К. Можуть обмінюватися променистою енергією. Перенесення цієї енергії не вимагає безпосереднього стикання тіл або якогось перепадного середовища й може відбуватися на великих відстанях. Енергія випромінювання тіла зумовлюється перебігом внутріатомних процесів і залежить від температури тіла, оскільки частина внутрішньої енергії тіла перетворюється в променисту. Промениста енергія поширюється у вигляді електромагнітних хвиль і фотонів в усіх напрямках прямолінійно зі швидкістю світла.

Потрапляючи на навколишні тіла, енергія частково вбирається, відбивається й проходить крізь тіло. Увібрана енергія перетворюється в теплоту. Тіло, яке повністю вбирає в себе променисту енергію, називають абсолютно чорним, те, яке повністю відбиває всі промені, що падають на нього, абсолютно білим. Тіло, яке пропускає всі промені, називають абсолютно прозорим [1; 3].

Абсолютно білих, чорних і прозорих тіл у природі немає. Аналогом абсолютно чорного тіла може бути сажа або порожниста сфера з отвором. Абсолютно чорні тіла характеризуються максимальним ефектом радіації. За законом Стефана – Больцмана випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла

, /7.1/

де – поверхнева густина випромінювання абсолютно чорного тіла, Вт/м²; – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, = 5,7 Вт/(м²· К ⁴); Т – абсолютна температура тіла, К.

Більшість реальних тіл у природі вважають сірими. Випромінювальна здатність таких тіл нижча, ніж у абсолютно чорних. Поверхнева густина випромінювання сірого тіла, Вт/м²,

, /7.2/

де – коефіцієнт випромінювання сірого тіла, Вт/(м²·К⁴).

 

Порівнюючи енергію випромінювання тіла з енергією абсолютно чорного тіла за однієї й тієї самої температури, дістають відносну випромінювальну здатність, або ступінь чорноти тіла:

, /7.3/

звідки

, /7.4/

тоді

. /7.5/

Ступінь чорноти тіла лежить у межах 0…1.

Знаючи ступінь чорноти тіла , неважко розрахувати поверхневу густину потоку і кількість тепла , Вт, передаваного випромінювачем за одиницю часу:

, /7.6/

, /7.7/

де – зведений ступінь чорноти системи тіл, що складаються з нагрітої випромінюючої і навколишньої сприймаючої поверхонь /можна взяти = /; , – абсолютна температура відповідно випромінюючого й сприймаючого тіла; – площа випромінюючої поверхні, м².

Знаючи ступінь чорноти тіла, можна дістати значення коефіцієнта тепловіддачі випромінюванням, Вт/(м²·К):

, /7.8/

де – абсолютна температура відповідно випромінюючого тіла і навколишнього середовища, К.

 

7.2. Опис установки

 

Установка /рис. 7.1/ складається з нагрівника 1, термостовпчиків 5, двох пласти з полімерного матеріалу 3, термопар 4, електронного потенціометра 6, ЛАТРа 7, ватметра 8. досліджувані пластини розміщено з двох боків нагрівника, нагрівання пластин регулюється ЛАТРом.

 

 

Електричну потужність, споживану кожним нагрівником, вимірюють ватметром, температуру пластин вимірюють термопарами, закріпленими в чотирьох точках на кожній пластині. Випромінювану кожною пластиною енергію сприймає термостовпчик і реєструє за допомогою потенціометра.

Термостовпчик являє собою батарею з 50 послідовно зв’язаних термопар, виготовлених з тонких ніхромових і константанових стрічок. Батарею термопар поміщено в корпус, який має вікно для пропускання теплового випромінювання і збиральний конус. Для регулювання ширини вікна призначено засувки.

Пластини 2 слугують для вирівнювання термопар по поверхні нагрівника.

Температуру зовнішнього середовища вимірюють термометром 9.

 

7.3. Порядок проведення дослідів

 

Ознайомитися з експериментальною установкою, перевірити правильність увімкнення приладів. Встановити ЛАТРом задану потужність нагрівника. По досягненні стаціонарного режиму теплового випромінювання, який визначають за допомогою потенціометра, виміряти ЕРС термостовпчиків і температуру на поверхні пластин.

ЕРС термостовпчиків і температури пластин треба вимірювати за різних значень потужності нагрівника /не менш як трьох/. Результати вимірювань внести до табл. 7.1.

 

Таблиця 7.1

Но- мер дос- ліду	Потуж-ність тепло-вого потоку, Вт	Пла-сти- на	Но-мер ви-міру	Температура пластини, К	Термо- ЕРС, мВ	Ступінь чорноти
		За-чор-нена   Сіра
Сере-дній
Сере-дній

 

7.4. Порядок обробки результатів дослідів

 

За трьома вимірами кожної величини розраховують її середнє значення. Для кожного значення встановленої потужності теплового потоку треба визначити:

1/ середню температуру сірої пластини

; /7.9/

2/ температурний напір

; /7.10/

3/ визначальну температуру середовища, за якою вибирають її теплофізичні властивості й критерій Прандтля:

; /7.11/

4/ ступінь чорноти пластини з полімерного матеріалу за температури

, /7.12/

за формулою

, /7.13/

де , – термоЕРС відповідно сірої і зачорненої пластини;

5/ поверхневі густини випромінювання чорного і сірого тіл за /7.6/;

6/ потужність потоку теплового випромінювання за /7.7/, де F = BH – площа випромінюючої поверхні, B = 0,165 м; H= 0,135 м;

7/ коефіцієнт тепловіддачі випромінювання за /7.8/;

8/ критерій Грасгофа:

, /7.14/

де – визначальний розмір; = Н = 0,135 м; – кінематична в’язкість; – коефіцієнт об’ємного розширення повітря, ;

9/ добуток критеріїв Прандтля і Грасгофа .

Результати обробки дослідних даних звести в табл. 7.2.

 

Таблиця 7.2

 

Потужність теплового потоку, Вт

, ºС

, ºС

E, Вт/м2

, Вт

, Вт(м2·°С)

 

Дослідні точки перенести на графік в координатах

,

через точки провести апроксимуючу криву.

За дослідною кривою встановити аналітичний вираз функції

, /7.15/

де і – сталі, які визначають за допомогою графіка.

 

7.5. Контрольні запитання

 

1. Опис установки.

2. Будова термостовпчика.

3. Що таке абсолютно чорне, абсолютно біле, абсолютно прозоре тіло?

4. Як розрахувати ?

5. Закон Стефана – Больцмана.

6. Аналіз графічної залежності .

 

7.6. Техніка безпеки

 

1. Перед вмиканням установку треба уважно оглянути, перевірити правильність ввімкнення електричних кіл.

2. Заборонено порушувати положення стовпчика відносно тепловіддавальної поверхні.

3. Заборонено залишати установку ввімкненою без нагляду.

4. По закінченні роботи треба знеструмити установку.