Лабораторная работа выполняется на лабораторном стенде, рисунок 3, которая состоит из трубчатого электронагревателя 1. на наружной поверхности электронагревателя закреплено шесть термопар 7, которые позволяют определить температуру теплоотдающей поверхности в местах соприкосновения их с воздухом. В состав установки входит вольтметр 4, амперметр 2 и автотрансформатор 3, с помощью которого можно регулировать мощность электронагревателя. Все термопары через переключатель 6 подключаются к измерительному прибору 5 для измерения ЭДС термопар 7. боковые торцы электронагревателя теплоизолированы для уменьшения теплопотерь в окружающую среду. В расчете используется только та боковая поверхность электронагревателя, которая относится к рабочему участку, например, для трубы длина рабочего участка составляет ℓ = ℓ тр – 10d. В геометрические размеры электронагревателя входит длина рабочего участка.
1 – трубчатый электронагреватель; 2 – амперметр; 3 – автотрансформатор;
4 – вольтметр;5 – измерительный прибор; 6 – переключатель термопар; 7 – термопары
Рисунок 3 – Принципиальная схема лабораторной установки
Теплота, которая поступает от ТЭН в окружающую среду, обусловлена не только теплоотдачей, но и тепловым излучением.
Теплообмен излучением – это теплообмен, обусловленный превращением части внутренней энергииодного веществав энергию другого.
Тепловая энергия нагретого тела превращается в энергию электромагнитных колебаний (волн), которая распространяется в окружающем пространстве (в лучепрозрачной среде – воздухе) и поглощается менее нагретым телом, где вновь преобразуется в тепловую энергию.
Электромагнитные волны – это электромагнитные возмущения, исходящие из излучающего тела. Возбудителями волн являются материальные частицы (электроны и ионы), входящие в состав вещества.
известно несколько видов электромагнитного излучения: космическое, γ-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, световое, инфракрасное и радиоволновое. Они имеют одинаковую природу и различаются только длиной волн.
электромагнитные колебания, волны которых длинной 0,8…400 микрон (0,001 мм) поглощаются встречными телами, поэтому их распространение получило название теплового излучения. Оно имеет место при всех температурах (высоких и низких).
Основной закон теплообмена излучением определяется законом Стефана – Больцмана, установленный в 1879 году экспериментально и в 1881году – теоретически, который устанавливает связь между плотностью теплового потока лучистой энергии (излучательной способностью) абсолютно черного тела Ео, Вт/м2, с температурой T, °K.
(20)
где С – коэффициент серого тела, Вт/(м2·К4);
ε – степень черноты серого тела, зависящая от физических свойств тела, но всегда ε < 1: ε = 0,05 (чистые стальные и чугунные поверхности при t = 20°C), ε = 0,93 (красный кирпич при t = 20 °C), ε = 0,91 (оштукатуренная известью поверхность при t = 10…90°C);
Со – коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2·К4), Со = 5,68; Е – плотность теплового потока серого тела, Вт/(м2×°К4);
При теплообмене излучением между нагревательным элементом и окружающем воздухом при определенных допущениях тепловой поток Qл, Вт:
(21)
(22)
где Спр – приведенный коэффициент теплового излучения системы ТЭН-воздух, Вт/(м2·К4), Спр = 0,35;
F – площадь поверхности рабочего участка, м2;
ℓ – длина рабочего участка, м, ℓ = 0,59;
d – диаметр теплоотдающей поверхности, м, d = 0,0247;
Тст, Тж – температура твердой поверхности нагревателя и окружающего воздуха, К.
Уравнение теплового баланса рабочего участка в установившемся тепловом режиме:
(23)
где Qк, Qл – конвективный и лучеиспускающей тепловой поток, Вт.
из выражения (23) можно определить теплоту, которая отдается в окружающую среду за счет естественной конвекции и коэффициент теплоотдачи αк, Вт/(м2·К):
(24)
(25)
где U – напряжение тока,В;I – сила тока, А;