Дисциплина «Теплотехника»
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
« Исследование теплового излучения нагретых тел »
Выполнил: студент ФЗиДО
Проверил: Казакова Е. Г.
Сыктывкар 2015
Цель работы: изучение процессов теплообмена излучением.
Задачи работы
1. Изучение теплообмена излучением и экспериментального определения постоянной Стефана — Больцмана.
2. Экспериментальное определение степени черноты излучающих поверхностей различных тел.
3. Экспериментальное исследование эффективности устройств и средств защиты от инфракрасного излучения.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Устройство для изучения теплового излучения (рис. 5.1 и 5.2) представляет собой три тепловые мишени (1—3) диаметром 160 мм с электронагревателями, последовательно включенными в электрическую цепь. Нагреватели имеют одну и ту же мощность, одинаковым образом расположены на лицевой панели установки. Они отличаются друга; лишь состоянием излучающей поверхности. Первая мишень имеет черную закрашенную поверхность, вторая — закрашенную белую, третья — полированную металлическую.
В центре каждой мишени с внутренней стороны нагревателя в него зачеканены хромель-копелевые термопары (4)—(6). Электрические сигналы с этих термопар подаются на цифровые измерители температуры (7) и далее в виде цифрового кода в компьютер. Одновременно температуры наружных сторон мишеней поочередно контролируются с помощью инфракрасного термометра с лазерным указателем участка излучающей поверхности (8). ИК-термометр закрепляется на платформе с помощью специальной струбцины перемещающейся по горизонтальной направляющей (9), таким образом, что центры всех трех мишеней оказываются на линии перемещения лазерного пятна.
Рис. 5.1 — Схема экспериментальной установки:
1 — мишень, окрашенная в черный цвет; 2 — измеритель температуры
мишеней; 3 — мишень, окрашенная в белый цвет; 4 — беспроводной
инфракрасный пирометр (отсутствует); 5 — измеритель температур мишеней;
6 — мишень с полированной поверхностью; 7 — автотрансформатор (ЛАТР)
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Ознакомиться с устройством лабораторной установки и принципом работы инфракрасного цифрового пирометра.
2. Включить нагреватели ВК1.
3. Определить и зафиксировать в табл. 5.1 температуру окружающей среды Т 0.
4. Выставить напряжение ЛАТРом 7 в пределах 5—50 В.
5. По истечении 10 мин произвести измерения температур поверхностей мишеней.
6. Занести значения температур, измеренных термопарами и пирометром и в табл. 5.1.
7. Объяснить, почему при равных сопротивлениях нагревателей и последовательном их соединении в электрической цепи, а следовательно, и равенств выделяющейся на них энергии, температуры мишеней различны?
8. Объяснить незначительный разброс температур, измеренных термопарами, и существенное различие показаний пирометра для отдельных мишеней?
9. Сравнить показания термопары Ттерм и показаний ИК-термометра Тик.
10. Увеличить напряжение и повторить пп. 6—11 для новых режимов.
ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ
1. Электрическая мощность, выделяемая на каждом нагревателе, Q, Вт определяется
, (5.1)
где I — сила тока, А (определяется по табл. 5.2); U — напряжение питания нагревателей, В.
2. Обработать полученные данные по всем мишеням и определить степень черноты ε i для каждой при разных температурах их поверхностей по формулам (температура в К):
, 
, 
, (5.2)
где Т терм.Ч, Т терм.Б, Т терм.П — температуры черной, белой или полированной поверхностей соответственно, измеренные термопарой, К; Т ик.Ч, Т ик.Б, Т ик.П — температуры черной, белой или полированной поверхностей, соответственно, измеренные ИК-пирометром, К; T 0 — температура окружающей среды, К.
3. Сравнить полученные результаты со справочными значениями.
4. Построить график зависимости степени черноты исследованных поверхностей от температуры мишеней ε = f (Т).
5. Обработать данные по всем мишеням и определить величину С 0 из уравнения Стефана — Больцмана:
, (5.3)
где e— степень черноты поверхности тела; С 0 — коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2 · К4); F — площадь поверхности каждой мишени, м2 (диаметр каждой мишени 160 мм).
6. Все измеренные и рассчитанные величины занести в табл. 5.1.
7. Ответить на контрольные вопросы и сделать вывод по работе.
Таблица 5.1
Результаты измерения температуры излучающих поверхностей и вычислений
| № опыта | Напряжение питания нагревателей, U, В | Электрическая мощность, выделяемая на каждом нагревателе, Q, Вт | Значения температур, измеренные | Рассчитанные величины | ||
| термопарой, Т терм, К | пирометром, Т ик, К | Приведенный коэффициент излучения, С 0, Вт/(м2 · К4) | Степень черноты поверхностей, ε | |||
| Мишень черного цвета | ||||||
| Мишень белого цвета | ||||||
| Мишень с полированной поверхностью | ||||||
Таблица 5.2
Зависимость силы тока от напряжения
| № п/п | Напряжение, U, В | Сила тока, I, А |
| 0,1280 | ||
| 0,0256 | ||
| 0,0384 | ||
| 0,0512 | ||
| 0,0640 | ||
| 0,0812 | ||
| 0,0984 | ||
| 0,1160 | ||
| 0,1330 | ||
| 0,1500 |
Вывод:
Контрольные вопросы
1. Как соотносятся между собой скорости распространения тепла при передаче его теплопроводностью, свободной или вынужденной конвекцией и тепловым излучением?
2. Что представляют собой модели абсолютного черного, абсолютно белого и серого тел, используемые в расчете лучистого теплообмена?
3. Какие из тел могут считаться абсолютно прозрачными, диатермическими средами?
4. Какие способы защиты от теплового излучения может предложить современная техника?
5. Что представляет собой экранно-вакуумная изоляция и чем объясняется ее эффективность?
6. Какие сложности в расчетах комбинированного теплообмена влечет нелинейная зависимость интенсивности излучения от температуры нагретой поверхности?
7. Может ли в этом случае в полной мере использоваться модели геометрически подобных разномасштабных тел для экспериментального определения характеристик теплообмена?