новая папка 1 / 302208

1495

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра промышленной теплоэнергетики

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторной работе

по дисциплине «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»

Составители: В.Я. Губарев, А.Г. Арзамасцев

Кадры для региона

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»

Липецк Липецкий государственный технический университет

2014

УДК 536.3(07) Г93

Рецензент – канд. техн. наук, доц. А.И. Шарапов

Губарев, В.Я.

Г93 Определение плотности теплового потока солнечного излучения [Текст]: методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» / сост. В.Я. Губарев, А.Г. Арзамасцев. – Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2014. – 17 с.

В методических указаниях предложена методика определения плотности теплового потока солнечного излучения.

Методические указания предназначены для студентов 3-го курса направления «Теплоэнергетика и теплотехника» для выполнения лабораторной работы по дисциплине «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии».

Табл.3. Ил.5. Библиогр.: 4 назв.

© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2014

2

Цель работы: ознакомление студентов с методикой определения плотности теплового потока солнечного излучения и углубление знаний по курсу «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии».

Общие сведения

Тепловое излучение представляет собой процесс распространения внутренней энергии излучающего тела посредством электромагнитных волн.

Возбудителями электромагнитных волн являются заряженные частицы (электроны и ионы), входящие в состав вещества. Колебания ионов соответствуют излучению высокой частоты, а колебания электронов, если они входят в состав атомов и молекул и удерживаются занчительными силами относительно свого равновесия, могут обуславливать высокую частоту излучения. Излучение имеет корпускулярно-волновую природу, то есть ведет себя одновременно как волна и как частица. Волновые свойства излучения характеризуются частотой и длиной волны, а корпускулярные состоят в том, что энергия испускается и поглощается квантами света – фотонами, обладающими энергией, количеством движения и электромагнитной массой.

Поэтому тепловое излучение можно представить как фотонный газ. Синтезом обоих свойств является представление, согласно которому энергия и импульсы сосредоточены в фотонах, а вероятность их нахождения в том или ином месте пространства – в волнах.

Интенсивность излучения зависит от природы тела, его температуры,

длины волны, состояния поверхности, а для газов – еще от толщины слоя и давления.

Основным источником излучения является солнечная радиация. Солнечная радиация – это неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. На Землю попадает незначительная часть излучаемой Солнцем энергии, причем 95% поступающей энергии – это коротковолновое излучение в диапазоне длин волн от 0,3 до 2,4 мкм.

3

Основной характеристикой солнечного излучения является плотность теплового потока – количество падающей солнечной энергии в единицу времени на единицу площади. Плотность потока солнечного излучения на орбите планеты составляет 2100 Вт/м2, на поверхности Земли от 150 до 900 Вт/м2 и является величиной переменной, зависящей от времени суток,

географической широты, состава атмосферы и ряда других факторов. Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую, механическую и

электрическую энергии, использована в биологических и химических процессах. Солнечные установки находят применение в системах отопления и охлаждения жилых и общественных зданий, в технологических процессах,

протекающих при низких и высоких температурах.

Если тело участвует в радиационном теплообмене, то энергия излучения, попадая на поверхность тела, частично отражается, частично проходит через него, а частично поглощается. Отношение плотности теплового потока излучением, поглощенного телом, к плотности потока падающего на тело излучения называется коэффициентом поглощения А . Если тело поглощает всю падающую на него энергию, то оно называется абсолютно черным и его коэффициент поглощения равен единице. Тела, для которых коэффициент поглощательной способности постоянен и не равен единице, называются серыми телами. Часть падающего на эти тела излучения отражается или пропускается ими.

Излучение, которое определяется природой тела и его температурой, называется собственным излучением. Собственное излучение черного тела находится из закона Стефана-Больцмана. Отношение величины собственного излучения серого тела к излучению абсолютно черного тела называется степенью черноты .

У большинства твердых тел поглощение и излучение происходит в весьма тонком слое. Поглощенное излучение превращается в тепловую энергию, которая частично идет на нагрев тела, а частично, будучи трансформирована в лучистую, вновь участвует в собственном излучении данного тела.

4

Плотность теплового потока излучением, воспринятого твердым телом, составляет

где qс – плотность теплового потока солнечного излучения, Вт/м2;

A – коэффициент поглощения.

Тепловой поток солнечным излучением, воспринятый твердым телом, увеличивает его температуру, что приводит к возникновению перепада температур между поверхностью тела и окружающей средой и появлению тепловых потерь вследствие конвекции и собственного излучения.

Тепловые потери конвекцией находятся согласно закону НьютонаРихмана:

где – степень черноты; С0 5,67 Вт /(м2 К 4 ) – постоянная Стефана.

Воспринятая телом в данный момент времени плотность теплового потока

q (условно назовем ее «полезной», так как именно ее значение определяет динамику нагрева тела) с учетом потерь в окружающую среду будет находиться по формуле

При дальнейших расчетах нагреваемое тело считается термически тонким, то есть при нестационарном режиме теплообмена температура во всех его точках практически одинакова и равна температуре поверхности.

5

В этом случае можно считать, что все воспринятое тепло пошло на изменение температуры поверхности тела:

Исходя из всего вышесказанного и используя зависимости (1) - (5), можно записать для данного тела уравнение теплового баланса:

В основу измерения теплового потока излучением положен метод калориметрирования, то есть измерения количества теплоты по температурным характеристикам.

Для определения значений плотности теплового потока излучением и равновесной температуры необходимо получить уравнение разгонной характеристики – зависимости температуры поверхности тела от времени нагрева.

Разгонная характеристика не только позволяет найти изменение температуры тела за определенный промежуток времени, но и дает возможность определить значение плотности теплового потока воспринятого телом излучения.

В отсутствие потерь тепла разгонная характеристика имела вид прямой

Из формулы (7) можно сделать вывод, что скорость изменения температуры по времени при отсутствии потерь тепла прямо пропорциональна плотности теплового потока. Температура поверхности с течением времени при постоянной плотности теплового потока согласно уравнению (7) будет возрастать до бесконечности.

Вид разгонной характеристики в этом случае изображен на рис . 1.

6

В действительности рост температуры тела будет происходить до достижения равновесного состояния, при котором тепловые потери равны воспринятому теплу от падающего на поверхность тела излучения. Температура, при которой достигается тепловое равновесие, носит название равновесной температуры.

Равновесная температура может быть получена из решения уравнения теплового баланса при q 0 :

Если построить график зависимости значения плотности теплового потока потерь от температуры поверхности и найти его пересечение с линией qпогл const , можно получить решение уравнения (8).

Графическое решение уравнения (8) изображено на рис. 2.

7

8

9

Нахождение уравнения разгонной характеристики ведется посредством полиномиальной аппроксимации экспериментальных или полученных теоретическим путем данных. Как правило, разгонная характеристика достаточно хорошо описывается полиномом второго порядка.

Для проверки этого предположения необходимо выполнить следующие

коэффициент теплоотдачи конвекцией определять по эмпирической формуле:

2 0,7 Tпов. Tо.с. 0,5 .

2.Используя метод Рунге-Кутты четвертого порядка для численного решения дифференциальных уравнений, построить по точкам с заданным шагом по времени разгонную характеристику.

Для этого необходимо:

– Уравнение теплового баланса (6) преобразовать к виду, требующемуся для применения метода Рунге-Кутта четвертого порядка:

–Задаться шагом по времени ;

–Вычислить температуру образца, установившуюся после промежутка времени по следующему алгоритму:

Используя зависимость (7), последовательно найти промежуточные

функции 1 ,2 ,3 ,4 ,

10