новая папка 1 / 695260

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

3222

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра промышленной теплоэнергетики

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ТВЁРДЫХ ТЕЛ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторной работе

по дисциплине

«Тепломассообмен»

В.Я. Губарев, А.Г. Арзамасцев, А.Г. Ярцев

Липецк Липецкий государственный технический университет

2019

УДК 621.036 (07)

Г93

Рецензент – д-р техн. наук, проф. В.Д. Коршиков

Губарев, В.Я.

Г93 Исследование теплового излучения твёрдых тел [Текст]: метод. указания

клабораторной работе по дисциплине «Тепломассообмен» / В.Я. Губа-

рев, А.Г. Арзамасцев, А.Г. Ярцев. – Липецк: Изд-во Липецкого государ-

ственного технического университета, 2019. – 16 с.

В методических указаниях предложена методика экспериментального оп-

ределения степени черноты и коэффициента полезного действия излучателя.

Методические указания предназначены для студентов 3-го курса направ-

ления «Теплоэнергетика и теплотехника» для выполнения лабораторной рабо-

ты по дисциплине «Тепломассообмен».

Табл.2. Ил.1. Прил.1. Библиогр.: 2 назв.

© ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет», 2019

3

1. Общие положения

Цель работы: определение значений степени черноты и коэффициента полезного действия излучателя, построение зависимостей этих параметров от температуры излучателя.

Перенос тепла излучением – один из основных механизмов теплообмена,

и учёт излучения является обязательным для большинства высокотемператур-

ных теплотехнических систем. Тепловое излучение представляет собой процесс распространения внутренней энергии излучающего тела путем электромагнит-

ных волн. Эти волны испускаются при энергетических переходах заряженных частиц излучающего тела, происходящих вследствие теплового движения ато-

мов и молекул.

Излучение характеризуется длиной волны или частотой колебаний. Все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу и различаются лишь длиной волны. Наибольшая доля энергии при тепловом излучении пере-

носится электромагнитными волнами длиной 0,8-40 мкм. Распределение энер-

гии излучения по длинам волн характеризуется спектром. Большинство твёр-

дых и жидких тел имеет сплошной (непрерывный) спектр излучения, т.е. излу-

чает энергию всех длин волн. К твёрдым телам, имеющим непрерывный спектр излучения, относятся непроводники и полупроводники электричества, металлы с окисленной шероховатой поверхностью. Металлы с полированной поверхно-

стью, газы и пары характеризуются селективным (прерывистым) спектром из-

лучения.

Важным понятием теории излучения является интенсивность (яркость)

излучения. Интенсивностью излучения называется количество лучистой энер-

гии, испускаемое в направлении угла ψ в единицу времени элементарной пло-

щадкой в пределах единичного элементарного телесного угла, отнесенное к проекции этой площадки на плоскость, ортогональную к направлению излуче-

ния:

4

где Iλ, I – интенсивности спектрального и интегрального излучений; ψ –

угол между направлением излучения и нормалью к поверхности.

Согласно закону Планка, интенсивность излучения абсолютного черного зависит от температуры и длины волны. Помимо этого, для любого реального тела интенсивность излучения зависит ещё и от природы тела, состояния по-

верхности, а для газов – ещё от толщины слоя и давления. Для любой темпера-

туры интенсивность излучения возрастает от нуля при λ=0 до своего наиболь-

шего значения при определенной длине волны, а затем убывает до нуля при

λ=∞. При повышении температуры интенсивность излучения для каждой длины волны возрастает. При этом максимум интенсивности излучения смещается в сторону более коротких волн. Длина волны λмакс в миллиметрах, отвечающая максимальному значению интенсивности излучения, определяется законом смещения Вина:

макс Т

Твёрдые тела излучают и поглощают энергию тонким поверхностным слоем, поэтому в теории излучения рассматривают теплообмен между поверх-

ностями твердых тел, которые произвольно расположены в пространстве.

Энергия излучения, испускаемая произвольной поверхностью в единицу времени по всевозможным направлениям полупространства и соответствующая узкому интервалу длин волн от λ до λ+dλ, называется монохроматической,

спектральной или однородной излучательной способностью (Qλ). Суммарное излучение с поверхности тела по всем длинам волн спектра называется инте-

гральной или полной излучательной способностью (Q).

Величина излучательной способности, испускаемой с единицы поверхно-

сти, носит название поверхностной плотности потока интегрального излучения:

5

верхности излучающего тела одинакова, то зависимость (4) переходит в соот-

ношение

(5)

Отношение плотности потока интегрального излучения, испускаемого в бесконечно малом интервале длин волн, к величине этого интервала длин волн называется спектральной плотностью потока излучения

Обычно тело участвует в лучистом теплообмене с другими телами. Энер-

гия излучения других тел, попадая на поверхность данного тела извне, частично поглощается, частично отражается, а часть её проходит сквозь тело. Количество лучистой энергии, падающее на данное тело в поле излучения, обозначается че-

рез Qпад или Епад. Часть падающей энергии излучения, поглощенной данным те-

лом, обозначается как Qпогл или Епогл. При поглощении лучистая энергия вновь превращается во внутреннюю энергию.

Плотность потока поглощающей лучистой энергии Епогл, Вт/м2

где А – интегральный коэффициент поглощения тела.

Тела, которые поглощают всю падающую на них энергию, называются абсолютно черными (А=1). Такое тело воспринимается зрением как черное те-

ло; отсюда происходит название абсолютно черного тела. Если поверхность по-

глощает все лучи, кроме световых, она не кажется черной, хотя по лучистым свойствам она может быть близка к абсолютно черному телу, поскольку имеет

6

высокую поглощательную способность (например, лёд и снег А=0,95-0,98). Те-

ла, для которых спектральный коэффициент поглощения Аλ не зависит от дли-

ны волны, называются серыми телами.

Часть падающей энергии, которую поверхность данного тела отражает обратно окружающим его телам, носит название плотности потока отраженного излучения Еотр, Вт/м2

где R – интегральный коэффициент отражения тела. Если R=1, то поверхность тела называют зеркальной (блестящей) или абсолютно белой.

Часть падающей энергии излучения, проходящая сквозь тело, называется плотностью потока пропускаемого излучения Епроп, Вт/м2

где D – интегральный коэффициент пропускания тела. Тела, имеющие коэффи-

циент пропускания, равный единице, называются прозрачными или диатермич-

ными (тонкие слои сухого воздуха, слои одноатомных газов).

Тела, характеризующиеся величиной 0<D<1, называют полупрозрачными

(стекло, кварц, сапфир). Для многих твёрдых и жидких тел коэффициент про-

пускания принимается равным нулю, так как они являются практически непро-

зрачными.

Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость плотности потока интегрального полусферического излучения от температуры. Для поверхност-

ной плотности потока интегрального излучения Е0, Вт/м2 этот закон можно вы-

где σ – постоянная Стефана-Больцмана, σ=5,67∙10-8 Вт/(м2∙К4).

Для удобства практических расчётов последняя зависимость представля-

ется в следующем виде:

7

где с0 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, с0=5,67 Вт/(м2∙К4).

Закон Стефана-Больцмана может быть применен к серым телам. В этом случае используется положение о том, что у серых тел собственное излучение пропорционально абсолютной температуре в четвёртой степени, но энергия из-

лучения меньше, чем энергия излучения абсолютно черного тела при той же температуре. Для серых тел этот закон примет вид:

где ε=Е/Е0=с/с0 – интегральная степень черноты серого тела; с – его коэффици-

ент излучения, Вт/(м2∙К4).

Таким образом, интегральной степенью черноты называется отношение поверхностной плотности потока собственного интегрального излучения к его величине для абсолютно черного тела при той же температуре. Интегральная степень черноты серого тела зависит от природы тела, его температуры и со-

стояния поверхности (спектральная степень черноты зависит ещё от длины

волны).

Закон Кирхгофа устанавливает количественную связь между энергиями излучения и поглощения поверхностями серых и абсолютно черных тел. Этот закон можно получить из баланса лучистой энергии для излучающей системы,

состоящей из относительно большого замкнутого объема с теплоизолирован-

ными стенками и помещенных в него тел. Для каждого из этих тел в условиях термодинамического равновесия энергия излучения равна поглощенной энер-

8

Зависимость (13) выражает закон Кирхгофа: отношение излучательной способности тела к его коэффициенту поглощения одинаково для всех серых тел, находящихся при одинаковых температурах, и равно излучательной спо-

собности абсолютно черного тела при той же температуре.

Используя формулы (12) и (13), получаем

E ε E0 A E0 ,

следствием чего является численное равенство степени черноты и коэффициен-

та поглощения тела: ε=А.

Закон Стефана-Больцмана определяет суммарное излучение поверхности тела по всем направлениям полупространства. Энергия излучения, которая ис-

пускается телом по отдельным направлениям, устанавливается законом Лам-

берта (или законом косинусов) – поток излучения абсолютно черного тела в данном направлении пропорционален потоку излучения в направлении норма-

где Еn, Еψ – соответственно плотность потока поверхностного излучения в на-

правлении нормали к поверхности и в произвольном направлении под углом ψ к нормали; ψ – угол между направлением излучения и нормалью к поверхности.

Наибольшее количество энергии излучается в перпендикулярном направ-

лении к поверхности излучения, т.е. при ψ=0°. С увеличением ψ количество энергии излучения уменьшается и при ψ=90° равно нулю.

2.Экспериментальная установка

Вработе применен калориметрический метод измерения, основанный на непосредственном измерении подводимого к телу тепла и на исключении дру-

гих механизмов теплообмена.

9

Для реализации калориметрического метода измерений в установке ис-

пользован ряд принципиальных решений:

1)электронагрев излучающего тела, что позволяет легко и с достаточно высокой точностью рассчитать подведенную мощность;

2)вакуумная изоляция излучающего тела от тепловоспринимающей по-

верхности, что позволяет практически полностью исключить перенос тепла те-

плопроводностью и конвекцией;

3) в качестве излучающего тела выбрана тонкая и длинная вольфрамовая проволока, что позволяет существенно снизить отвод тепла теплопроводностью в токопроводящие электроды.

Общий вид экспериментальной установки приведен на рисунке.

Рис. Экспериментальная установка

10