Ярославль, 2015
Требования к технике безопасности
Перед началом работы ознакомиться с инструкциями по технике безопасности и пожарной безопасности № 1, 2, имеющимися в лаборатории.
1. Перед началом работы внимательно ознакомьтесь с порядком выполнения лабораторной работы.
2. Включать установку можно только с разрешением руководителя.
3. Не загромождайте рабочее место оборудованием не относящемся к работе.
По окончании работы получите разрешение от руководителя выключить установку, выключите её и приведите в порядок рабочие место.
ВВЕДЕНИЕ
Лабораторные работы являются одной из ключевых составляющих курса «Тепломассообмен». Выполнение лабораторных работ по этому курсу имеет своей целью закрепление теоретических знаний, освоение экспериментальных методик исследования процессов теплопередачи, получение опыта работы с устройствами измерения теплофизических величин; способствует развитию навыков планирования экспериментальных исследований.
Для успешного выполнения лабораторных работ необходимо уверенно ориентироваться в теоретическом описании исследуемых процессов, при этом осознавать то, что теоретическое описание основывается на некоторой идеализации процесса, протекающего на лабораторной установке, и уметь оценивать влияние идеализации на теоретические предсказания. Кроме того, необходимо уметь определять источники погрешностей измерения, связанные с погрешностями средств измерения, несовершенством метода измерений и с условиями измерения физических величин.
Очередная лабораторная работа выдается студенту преподавателем при отсутствии работ, выполненных частично. Выполнение каждой лабораторной работы состоит из трех этапов, каждый из которых отражается в письменном отчете студента.
Первым этапом является подготовка к работе на лабораторной установке. В рамках учебного времени, выделенного на самостоятельную работу по лабораторным работам, студент готовится к проведению эксперимента, пользуясь материалом настоящих указаний и дополнительной литературой. При подготовке необходимо уяснить характер исследуемого теплофизического процесса в общих чертах и в реализации на конкретной установке, разобраться в теоретическом подходе к описанию процесса и быть способным воспроизвести теоретическое описание самостоятельно. Необходимо выяснить, как функционирует и управляется лабораторная установка и каков порядок проведения эксперимента, в том числе:
- какой порядок действий обеспечивает безопасность работы на установке и отсутствие угрозы ее повреждения;
- какие исследования планируются в ходе выполнения работы и какие режимы работы установки необходимы для проведения этих исследований;
- какие условия необходимо соблюдать с целью минимизации погрешностей измерений.
Проделанная работа отражается в первой части письменного отчета, содержащей:
- краткое изложение теоретического описания исследуемого процесса, его основ;
- порядок работы на лабораторной установке;
- таблицу для данных измерений.
В рамках лабораторного занятия преподаватель проверяет готовность к работе на экспериментальной установке и дает допуск к работе. Готовность к выполнению проверяется по первой части письменного отчета, отдельные части которого преподаватель может потребовать изложить устно.
Вторым этапом является собственно работа на установке. Во время работы следует строго следовать порядку проведения эксперимента, в том числе соблюдать условия получения надежных измерительных данных. На данном этапе необходимо получить наглядное представление
о характере протекающего процесса. В ходе выполнения измерений следует оценивать корректность получаемых результатов, отмечать возможные аномалии процесса. Важным условием получения надежных результатов является аккуратное занесение результатов измерения в таблицу. Грубое нарушение правил работы на установке влечет за собой снижение оценки за работу. По завершению работы на установке студент представляет преподавателю вторую часть отчета – заполненную таблицу данных измерений.
Третьим этапом работы является обработка результатов измерений и оформление письменного отчета, проводимое в рамках учебного времени, отведенного на самостоятельную работу по лабораторным работам. Настоятельно рекомендуется проводить этот этап непосредственно после работы на установке. Для углубления понимания процессов, наблюдавшихся в ходе работы на установке, следует найти ответ на основные и дополнительные контрольные вопросы для защиты работы.
Третья часть отчета должна включать:
- результаты обработки опытных данных;
- оценки погрешностей полученных результатов;
- ответы на основные контрольные вопросы к защите работы.
Завершается выполнение работы защитой отчета, в ходе которой студент представляет преподавателю полученные им результаты измерений, промежуточные и конечные результаты их обработки и ответы на контрольные вопросы и обсуждает их с преподавателем.
В ходе защиты оцениваются знания теоретических основ лабораторной работы, корректность проведенных измерений и результатов их обработки, правильность определения погрешностей результатов, ответы на контрольные вопросы. Проводится обсуждение допущенных ошибок.
Оформлять отчеты по лабораторным работам необходимо в отдельной тетради. Все отчеты должны быть выполнены от руки, графики выполняются вручную на миллиметровой бумаге или строятся с помощью компьютерного программного обеспечения и распечатываются, после чего прикрепляются к отчету.
Лабораторная работа №1-2
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ И СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ПОВЕРХНОСТИ ТЕЛА и определение зависимости степени черноты поверхности от температуры поверхности»
Цель работы
1. Ознакомление с методикой проведения экспериментов по определению степени черноты поверхности тела.
2. Развитие навыков проведения экспериментов.
Задание
1. Определить степень черноты ε и коэффициент излучения с поверхностей 2-х различных материалов (окрашенной меди и полированной стали).
2. Установить зависимость изменения степени черноты от температуры поверхности.
3. Сравнить значение степени черноты окрашенной меди и полированной стали между собой.
Теоретическое введение
Тепловое излучение представляет собой процесс переноса тепловой энергии посредством электромагнитных волн. Количество тепла, передаваемого излучением, зависит от свойства излучающего тела и его температуры и не зависит от температуры окружающих тел.
В общем случае тепловой поток, попадающий на тело, частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело (рис. 1.1).
(1)
Рис. 1.1. Схема распределения лучистой энергии
(2)
где 
- тепловой поток, падающий на тело,
- количества тепла, поглощаемое телом,
- количества тепла, отражаемое телом,
- количества тепла, проходящего сквозь тело.
Делим правую и левую части на тепловой поток:
Величины 
называются соответственно: поглощательной, отражательной и пропускательной способностью тела.
Если 
, то 
, т.е. весь тепловой поток, падающий на тело, поглощается. Такое тело называется абсолютно черным.
Тела, у которых 
, 
т.е. весь тепловой поток, падающий на тело, отражается от него, называются белыми. При этом, если отражение от поверхности подчиняется законам оптики тела называют зеркальными – если отражение диффузное – абсолютно белыми.
Тела, у которых 
, 
т.е. весь тепловой поток, падающий на тело, проходит сквозь него, называются диатермичными или абсолютно прозрачными.
Абсолютных тел в природе не существует, однако понятие о таких телах очень полезно, особенно об абсолютно черном теле, так как законы, управляющие его излучением, особенно просты, потому что никакое излучение не отражается от его поверхности.
Кроме того, понятие абсолютно черного тела дает возможность доказать, что в природе не существует таких тел, которые излучают больше тепла, чем черные.
Например, в соответствии с законом Кирхгофа отношение излучательной способности тела 
и его поглощательной способности 
одинаково для всех тел и зависит только от температуры, для всех тел, включая и абсолютно черное, при данной температуре:
(3)
Так как поглощательная способность абсолютно черного тела 
а 
и 
и т.д. всегда меньше 1, то из закона Кирхгофа следует, что предельной излучательной способностью 
обладает абсолютно черное тело. Поскольку в природе абсолютно черных тел нет, вводится понятие серого тела, его степени черноты ε, представляющее собой отношение излучательной способности серого и абсолютно черного тела:
Следуя закону Кирхгофа и учитывая, что можно записать 
откуда 
т.е. степень черноты характеризует как относительную излучательную, так и поглощательную способность тела. Основным законом излучения, отражающего зависимость интенсивности излучения 
отнесенную к этому диапазону длин волн (монохроматическое излучение), является закон Планка.
(4)
где 
- длина волн, [м];
;
и 
- первая и вторая постоянные Планка.
На рис. 1.2 это уравнение представлено графически.
Рис. 1.2. Графическое представление закона Планка
Как видно из графика, абсолютно черное тело излучает при любой температуре в широком диапазоне длин волн. С возрастанием температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону более коротких волн. Это явление описывается законом Вина:
(5)
Где 
- длина волны, соответствующая максимуму интенсивности излучения.
При значениях 
вместо закона Планка можно применять закон Релея-Джинса, который носит кроме того название «закон длинноволнового излучения»:
(6)
Интенсивность излучения, отнесенная ко всему интервалу длин волн от 
до 
(интегральное излучение), можно определить из закона Планка путем интегрирования:
(7)
где 
- коэффициент излучения абсолютно черного тела. Выражение носит название закона Стефана-Больцмана, который был установлен Больцманом. Для серых тел закон Стефана-Больцмана записывают в виде:
(8)
- излучательная способность серого тела. Теплообмен излучением между двумя поверхностями определяется на основании закона Стефана-Больцмана и имеет вид:
(9)
Если 
, то приведенная степень черноты становится равной степени черноты поверхности 
, т.е. 
. Это обстоятельство положено в основу метода определения излучательной способности и степени черноты серых тел, имеющих незначительные размеры по сравнению с телами, обменивающимися между собой лучистой энергией
(10)
(11)
Как видно из формулы, определения степени черноты и излучательной способности С серого тела необходимо знать температуру поверхности 
испытуемого тела, температуру 
окружающей среды и лучистый тепловой поток с поверхности тела 
. Температуры и могут быть замерены известными способами. А лучистый тепловой поток определяется из следующих соображений.
Распространение тепла с поверхности тел в окружающее пространство происходит посредством излучения и теплоотдачи при свободной конвекции. Полный поток с поверхности тела, таким образом, будет равен:
, откуда 
;
- конвективная составляющая теплового потока, которая может быть определена по закону Ньютона-Рихмана:
(12)
В свою очередь, коэффициент теплоотдачи 
может быть определен из выражения:
(13)
где 
определяющей температурой в этих выражениях является температура пограничного слоя:
Рис. 2 Схема экспериментальной установки
Условные обозначения:
В – включатель;
Р1, Р2 – регуляторы напряжения;
PW1, PW2 – измерители мощности (ваттметры);
НЭ1, НЭ2 – нагревательные элементы;
ИТ1, ИТ2 – измерители температуры;
Т1, Т2 и т.д. – термопары.
Описание экспериментальной установки
Экспериментальная установка, принципиальная схема которой изображена на рис.2, предназначена для определения степени черноты двух тел – окрашенной медной трубы (элемент 1) и полированной стальной трубы (элемент 2).
Медная и алюминиевая трубы имеют одинаковые размеры: диаметр трубы d = 40мм, длинна труб l = 470мм.
В элементах 1 и 2 предусмотрена тепловая защита торцевых поверхностей. Температуры поверхности элементов измеряется с помощью термопар Т1, Т2 и т.д.(рис.2)
Электронагреватели подключены к источнику переменного тока через регуляторы напряжения Р1, Р2. Мощность потребляемая электронагревателями (тепловой поток Q) определяется по ваттметрам PW1, PW2.
