ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ В.И. ЛЕНИНА»

Кафедра теоретических основ теплотехники

Определение интегральной степени черноты твердого тела

Методические указания к выполнению лабораторной работы

Иваново 2006

Составители В.В. Бухмиров

Т.Е. Созинова

Редактор Д.В. Ракутина

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальностям теплотехнического профиля 140101, 140103, 140104, 140106 и 220301 и изучающих курс “Тепломассообмен” или “Теплотехника”.

Методические указания содержат описание экспериментальной установки, методику проведения эксперимента, а также расчетные формулы, необходимые для обработки результатов опыта.

Методические указания утверждены цикловой методической комиссией ТЭФ.

Рецензент

кафедра теоретических основ теплотехники Ивановского государственного энергетического университета

1. Задание

1. Экспериментально определить интегральную степень черноты тонкой вольфрамовой нити.

2. Сравнить результаты эксперимента со справочными данными.

2. Краткие сведения из теории радиационного теплообмена

Тепловое излучение (радиационный теплообмен) – способ переноса теплоты в пространстве, осуществляемый в результате распространения электромагнитных волн, энергия которых при взаимодействии с веществом переходит в тепло. Радиационный теплообмен связан с двойным преобразованием энергии: первоначально внутренняя энергия тела превращается в энергию электромагнитного излучения, а затем, после переноса энергии в пространствеэлектромагнитными волнами, происходит второй переход лучистой энергии во внутреннюю энергиюдругого тела.

Тепловое излучение вещества зависит от температуры тела (степени нагретости вещества).

Энергия теплового излучения, падающего на тело, может поглощаться, отражаться телом или проходить через него. Тело, поглощающее всю падающую на него лучистую энергию, называю абсолютно черным телом (АЧТ). Отметим, что при данной температуре АЧТ и излучает максимально возможное количество энергии.

Плотность потока собственного излучения тела называют его лучеиспускательной способностью. Этот параметр излучения в пределах элементарного участка длин волн называют спектральной плотностью потока собственного излучения или спектральной лучеиспускательной способностью тела. Лучеиспускательная способность АЧТ в зависимости от температуры подчиняется закону Стефана–Больцмана:

, (1)

где  0 = 5,6710 -8 Вт/(м 2 К 4) – постоянная Стефана–Больцмана;= 5,67 Вт/(м 2 К 4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела; Т – температура поверхности абсолютно черного тела, К.

Абсолютно черных тел в природе не существует. Тело, у которого спектр излучения подобен спектру излучения абсолютно черного тела и спектральная плотность потока излучения (Е ) составляет одну и ту же долю   от спектральной плотности потока излучения абсолютно черного тела (Е 0,λ), называют серым телом :

, (2)

где   – спектральная степень черноты.

После интегрирования выражения (2) по всему спектру излучения (
) получим:

, (3)

где Е – лучеиспускательная способность серого тела; Е 0 – лучеиспускательная способность АЧТ;– интегральная степень черноты серого тела.

Из последней формулы (3) с учетом закона Стефана-Больцмана следует выражение для расчета плотности потока собственного излучения (лучеиспускательной способности) серого тела:

где
– коэффициент излучения серого тела, Вт/(м 2 К 4); Т – температура тела, К.

Значение интегральной степени черноты зависит от физических свойств тела, его температуры и от шероховатости поверхности тела. Интегральную степень черноты определяют экспериментально.

В лабораторной работе интегральную степень черноты вольфрама находят, исследуя радиационный теплообмен между нагретой вольфрамовой нитью (тело 1) и стенками стеклянного баллона (тело 2), заполненного водой (рис. 1).

Рис. 1. Схема радиационного теплообмена в эксперименте:

1 – нагретая нить; 2 – внутренняя поверхность стеклянного баллона; 3 – вода

Результирующий тепловой поток, получаемый стеклянным баллоном можно рассчитать по формуле:

, (6)

где  пр – приведенная степень черноты в системе двух тел; 1 и 2 – интегральные степени черноты первого и второго тела; Т 1 и Т 2 ,F 1 иF 2 – абсолютные температуры и площади поверхностей теплообмена первого и второго тела; 12 и 21 – угловые коэффициенты излучения, которые показывают, какая доля энергии полусферического излучения попадает с одного тела на другое.

Используя свойства угловых коэффициентов несложно показать, что
, а
. Подставляя значения угловых коэффициентов в формулу (6), получим

. (7)

Так как площадь поверхности вольфрамовой нити (тело 1) много меньше площади окружающей ее оболочки (тело 2), то угловой коэффициент  21 стремится к нулю:

F 1 F 2
 21 =F 1 /F 2 0 или
. (8)

С учетом последнего вывода из формулы (7) следует, что и приведенная степень черноты системы двух тел, изображенных на рис. 1, определяется только радиационными свойствами поверхности нити:

 пр  1 или
. (9)

В этом случае формула для расчета результирующего теплового потока, воспринимаемого стеклянным баллоном с водой, принимает вид:

из которой следует выражение для определения интегральной степени черноты вольфрамовой нити:

, (11)

где
– площадь поверхности вольфрамовой нити:dи– диаметр и длина нити.

Коэффициент излучения вольфрамовой нити рассчитывают по очевидной формуле:

. (12)

Плотность теплового потока при теплообмене между газом и твердой поверхностью рассчитывается по формуле:

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

Температура стенки (оболочки), К;

е пр - приведённая степень черноты материала поверхности газохода;

е г - степень черноты газовой смеси;

Приведённая к температуре стенки.

Приведенная степень черноты рассчитывается по формуле:

где ес - степень черноты материала стенки (берется из таблиц).

Определение степени черноты газа

Степень черноты газовой смеси рассчитывается по формуле:

где - поправочный коэффициент, учитывающий неподчинение излучения водяных паров закону Бугера-Бэра;

Поправка, учитывающая взаимное поглощение СО2 и H2O при совпадении полос излучения (обычно, поэтому в инженерных расчетах ею можно пренебречь).

Степень черноты и поглощательная способность компонентов газовой смеси определяются:

1) При помощи номограмм.

Степень черноты газа

Значения и в этом случае берутся по номограммам в зависимости от температуры газа и произведения парциального давления газа на среднюю длину пути луча.

Р - давление газа, атм;

Средняя температура газа, ?С;

Эффективная толщина излучающего слоя, м;

V - величина излучающего объема газа, м3;

Fc - площадь поверхности оболочки, м2;

- поправочный коэффициент.

Поправочный коэффициент в также находится по графикам в зависимости от (pН2О l) и pН2О.

Поглощательная способность газовой смеси рассчитывается по формуле

(3.3)

Поскольку значение поглощательной способности зависит от температуры стенки, то значения и в этом случае берутся по номограммам в зависимости от температуры стенки и произведения парциального давления газа на среднюю длину пути луча.

2) При помощи аналитических формул.

Степень черноты может быть найдена по следующей формуле

k - суммарный коэффициент ослабления лучей в смеси, определяемый эмпирической формулой

Для нахождения степени черноты в предыдущую формулу для определения коэффициента ослабления подставляется значение абсолютной температуры газа.

Поглощательная способность может быть найдена по следующей формуле

где - суммарный коэффициент ослабления;

для нахождения поглощательной способности используется значение абсолютной температуры сте нки.

Пример расчета

Вычислить плотность теплового потока, обусловленного излучением от дымовых газов к поверхности газохода сечением А х В = 500 х 1000 мм. Состав газа: содержание СО2=10%; содержание Н2О=5%; общее давление газа Р = 98,1 кПа (1 атм). Средняя температура газа в газоходе tг = 6500С. Средняя температура поверхности газохода = 4000С. Газоход изготовлен из латуни.

1. Вычисляем плотность теплового потока, обусловленного излучением, с использованием номограмм.

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Степень черноты латуни по справочным данным;

Приведённая степень черноты поверхности газохода; ;

Эффективная толщина излучающего слоя

Парциальные давления компонентов

Объёмная доля Н2О и СО2 в газе;

РСО2. = 0,1 . 60 = 6 см.атм.

РН2О. = 0,05 . 60 = 3 см.атм.

Поправочный коэффициент, учитывающий неподчинение поведения водяного пара закону Бугера-Бэра;

из графика.

По номограммам и температуре tг = 6500С

Степень черноты газа

По номограммам и температуре tс = 400 0С

Поглощательная способность газа

Результирующий тепловой поток

2. Вычисляем плотность теплового потока, обусловленного излучением, с использованием формул.

Суммарные коэффициенты ослабления

Степень черноты газа

Поглощательная способность газа

Результирующий тепловой поток

Примечание: результаты расчетов степени черноты и поглощательной способности газа двумя методами должны быть близки между собой.

Рис. 3.1.

Рис. 3.2. Степень черноты в зависимости от температуры для Н2О

Рис. 3.3. Значения поправки в, учитывающей влияние парциального давления Н2О на степень черноты

Тепловой расчёт экономайзера (пример расчета)

Расход, кг/с

Температура, оС

Скорость движения, м / с

Диаметр труб

d 2 / d1,

Располо-жение

Относи-тельный шаг

Толщина слоя, мм

Ды-мо-вые

G 2

t 1 ”

д н

Алибаева

Змеевиковый экономайзер парового котла предназначен для подогрева питательной воды в количестве G2 от температуры t2" до t2"". Вода движется вверх по трубам диаметром d2/d1. Коэффициент теплопроводности материала стенки л. Средняя скорость движения воды щ2.

Дымовые газы (13% СО2 и 11% Н2О) движутся сверху вниз в межтрубном пространстве со средней скоростью в узком сечении трубного пучка щ1. Расход газов G1. Температура газов на входе в экономайзер t1", на выходе t1"". Задано расположение труб в пучке и относительные шаги: поперечный у1 = S1/d2 и продольный у2 = S2/d2. Со стороны газов поверхность труб покрыта слоем сажи толщиной дс, со стороны воды - слоем накипи толщиной дн. Коэффициенты теплопроводности принять: для сажи лс = 0,07 - 0,12 Вт/м·град, для накипи лн = 0,7 - 2,3 Вт/м·град.

1. Определяем диаметр трубы с учётом загрязнения её накипью с внутренней стороны и сажей с наружной стороны:

2. Уравнение теплового баланса

Считая, что потери теплоты по длине экономайзера равны 0, запишем уравнение теплового баланса:

Средняя температура воды:

При этой температуре определяем теплоемкость воды > Cр2= 4,3 кДж/кг·гр

Определяем тепловую нагрузку теплообменного аппарата (по теплоносителю, для которого заданы две температуры)

Принимаем приближенно теплоёмкость дымовых газов Ср1 и рассчитываем температуру газов на выходе

Средняя температура дымовых газов:

3. Определение среднего температурного напора

Разности температур:

Примечание: в случае, если tб tм 1,5 - определяется среднеарифметическое значение температурного напора.

4. Вычисление коэффициента теплоотдачи от стенки к воде Теплофизические параметры воды при температуре

следующие:

Число Рейнольдса для воды:

Режим течения турбулентный

Число Нуссельта:

Так как температура стенки неизвестна, то в первом приближении принимаем

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде

5. Вычисление коэффициента теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к стенке

Закон Планка. Интенсивности излучения абсолютно черного тела I sl и любого реального тела I l зависят от и длины волны.

Абсолютно черное тело при данной испускает лучи всех длин волн отl = 0 до l = ¥ . Если каким-либо образом отделить лучи с разными длинами волн друг от друга и измерить энергию каждого луча, то окажется, что распределение энергии вдоль спектра различно.

По мере увеличения длины волны энергия лучей возрастает, при некоторой длине волны достигает максимума, затем убывает. Кроме того, для луча одной и той же длины волны энергия его увеличивается с возрастанием тела, испускающего лучи (рис.11.1).

Планк установил следующий закон изменения интенсивности излучения абсолютно черного тела в зависимости от и длины волны:

I sl = с 1 l -5 / (е с/(l Т) – 1) , (11.5)

Подставляя в уравнение (11.7) закон Планка и интегрируя от от l = 0 до l = ¥ , найдем, что интегральное излучение (тепловой поток) абсолютно черного тела прямо пропорционально четвертой степени его абсолютной (закон Стефана-Больцмана).

E s = С s (Т/100) 4 , (11.8)

где С s = 5,67 Вт/(м 2 *К 4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела

Отмечая на рис.11.1 количество энергии, отвечающей световой части спектра (0,4-0,8 мк), нетрудно заметить, что оно для невысоких очень мало по сравнению с энергией интегрального излучения. Только при солнца ~ 6000К энергия световых лучей составляет около 50% от всей энергии черного излучения.

Все реальные тела, используемые в технике, не являются абсолютно черными и при одной и той же излучают меньше энергии, чем абсолютно черное тело. Излучение реальных тел также зависит от и длины волны. Чтобы законы излучения черного тела можно было применить для реальных тел, вводится понятие о теле и излучении. Под излучением понимают такое, которое аналогично излучению черного тела имеет сплошной спектр, но интенсивность лучей для каждой длины волны I l при любой составляет неизменную долю от интенсивности излучения черного тела I sl , т.е. существует отношение:

I l / I sl = e = const. (11.9)

Величину e называют степенью черноты. Она зависит от физических свойств тела. Степень черноты тел всегда меньше единицы.

Закон Кирхгофа. Для всякого тела излучательная и поглощательная способности зависят от и длины волны. Различные тела имеют различные значения Е и А. Зависимость между ними устанавливается законом Кирхгофа:

Е = Е s *А или Е /А = Е s = Е s /А s = С s *(Т/100) 4 . (11.11)

Отношение лучеиспускательной способности тела (Е) к его погло-щательной способности (А) одинаково для всех тел, находящихся при одинаковых и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же .

Из закона Кирхгофа следует, что если тело обладает малой поглощательной способностью, то оно одновременно обладает и малой лучеиспускательной способностью (полированные ). Абсолютно черное тело, обладающее максимальной поглощательной способностью, имеет и наибольшую излучательную способность.

Закон Кирхгофа остается справедливым и для монохроматического излучения. Отношение интенсивности излучения тела при определенной длине волны к его поглощательной способности при той же длине волны для всех тел одно и то же, если они находятся при одинаковых , и численно равно интенсивности излучения абсолютно черного тела при той же длине волны и , т.е. является функцией только длины волны и :

Е l / А l = I l / А l = Е sl = I sl = f (l ,T). (11.12)

Поэтому тело, которое излучает энергию при какой-нибудь длине волны, способно поглощать ее при этой же длине волны. Если тело не поглощает энергию в какой-то части спектра, то оно в этой части спектра и не излучает.

Из закона Кирхгофа также следует, что степень черноты тела е при одной и той же численно равно коэффициенту поглощения А:

e = I l / I sl = Е/ Е sl = C / C sl = А. (11.13)

Закон Ламберта. Излучаемая телом лучистая энергия распространяется в пространстве по различным направлениям с различной интенсивностью. Закон, устанавливающий зависимость интенсивности излучения от направления, называется законом Ламберта.

Закон Ламберта устанавливает, что количество лучистой энергии, излучаемое элементом поверхности dF 1 в направлении элемента dF 2 , пропорционально произведению количества энергии, излучаемой по нормали dQ n , на величину пространственного угла dщ и cosц, составленного направлением излучения с нормалью (рис.11.2):

d 2 Q n = dQ n *dw *cosj . (11.14)

Следовательно, наибольшее количество лучистой энергии излучается в перпендикулярном направлении к поверхности излучения, т. е. при (j = 0). С увеличением j количество лучистой энергии уменьшается и при j = 90° равно нулю. Закон Ламберта полностью справедлив для абсолютно черного тела и для тел, обладающих диффузным излучением при j = 0 - 60°.

Для полированных поверхностей закон Ламберта неприменим. Для них лучеиспускание при j будет большим, чем в направлении, нормальном к поверхности.

Излучение твердых тел является поверхностным, а излучение газов - объемным.

Теплообмен излучением между двумя плоскими параллельными серыми поверхностями твердых тел с температурами Т 0 1 абс и Т 0 2 абс (Т 1 > Т 2) подсчитывается по формуле

С пр - приведенный коэффициент излучения;

С 1 - коэффициент излучения поверхности первого тела;

С 2 - коэффициент излучения поверхности второго тела;

С s = 4,9 ккал/м 2 час град 1 - коэффициент излучения абсолютно черного тела.

В практических расчетах удобнее пользоваться так называемой степенью черноты

Приведенная степень черноты

В том случае, когда первое тело с поверхностью F 1 со всех

сторон окружено поверхностью F 2 второго тела, количество переданного тепла определяется по формуле

Приведенный коэффициент излучения и приведенная степень черноты определяются по формулам

В том случае, когда F 2 >F 1 , т. е.

C пр =С 1 и пр = 1 .

В целях уменьшения потери тепла за счет излучения применяют так называемые экраны. Экран представляет собой тонкостенный лист, закрывающий излучающую поверхность и расположенный на небольшом расстоянии от последней. В первом приближении конвективный теплообмен через воздушную прослойку между экраном и излучающей поверхностью не учитывают. Также всегда пренебрегают термическим сопротивлением стенки самого экрана, т. е. температуры на его поверхностях считают одинаковыми.

При плоских параллельных экранах используется формула теплообмена излучением с заменой пр так называемой эквивалентной степенью черноты

где 12 , 23 и т. д. - определяемая по формуле для пр, приведенная степень черноты при теплообмене излучением между 1-й и 2-й поверхностью, между 2-й и 3-й поверхностью и т. д.

При экранировании цилиндрических тел (труб) эквивалентная степень черноты

Количество переданного тепла Qвычисляется по формуле

Излучение газов

Излучающими газами являются трехатомные и многоатомные газы. Наибольший практический интерес представляет излучение

СО 2 и Н 2 О.

Излучение газов селективное и зависит от величины и формы газового объема.

Количество тепла, переданное путем излучения от газового объема, компонентами которого являются СО 2 и Н 2 О, к окружающей оболочке, обладающей свойствами серого тела, определяется по формуле

где T газ - абсолютная температура излучающего газового объема;

T ст - абсолютная температура окружающей оболочки;

= 0,5 (+ 1) - эффективная степень черноты оболочки (приот 0,8 до 1,0);

=
+
- степень черноты газа, определяемая по графикам рис. 85 и 86 по средней температуре газа;

- степень черноты газа, определяемая по тем же графикам, но по температуреt ст оболочки;

β-поправка на парциальное давление водяного пара, определяемая по графику рис. 87.

Степень черноты углекислоты
и водяного пара
зависит от температуры газового объема и эффективной толщины излучающего слоя рs, где р ата - парциальное давление излучающего компонента иsм - приведенная длина луча.

Приведенная длина луча приближенно может быть определена по формуле

где Vм 3 - объем, заполненный излучающим газом (излучающий объем);

Fм 2 - поверхность оболочки.

Для отдельных частных случаев приведенная длина луча определяется по следующим формулам:

для объема газа в междутрубном пространстве (s 1 - продольный шаг, т. е. расстояние между осями труб в ряду;s 2 - поперечный шаг, т. е. шаг между рядами;d- диаметр труб)

для плоскопараллельного газового слоя бесконечной протяженности толщиной

s= 1,8;

для цилиндра диаметром d

Иногда вводят понятие о коэффициенте теплоотдачи излучением α л ккал/м 2 час град. Этот коэффициент определяется по формуле

Пример . Определить количество тепла, переданное излучением от накаленной стальной плиты, температура поверхности которойt 1 = 1027° С, на другую такую же плиту, температура поверхности которойt 2 = 27° С, расположенную параллельно первой.

Ре ш е н и е. Из приложения 20 находим степень черноты стальной плиты (окисленной):
. Определяем приведенную

степень черноты по формуле

Количество переданного тепла

Пример . Стальной паропровод диаметром 300 мм, температура наружной стенки которогоt 1 = 300° С, проложен в помещении. В целях уменьшения потерь тепла паропровод закрыт двойным цилиндрическим кожухом (экраном). Первый кожух диаметром 320 мм выполнен из тонких стальных листов (= 0,82), второй кожух диаметром 340 мм выполнен из тонких алюминиевых листов (= 0,055). Определить потерю тепла на 1 пог. м голого и экранированного паропровода, а также температуру алюминиевого кожуха. Конвективным теплообменом пренебречь. Температура в помещении равна 25° С.

Р е ш е н и е. Определим потерю тепла голым паропроводом, считая, что поверхность паропровода F 1 во много раз меньше поверхности стенок помещенияF 4 . ПриF 1 <

пр = 1 = 0.80

(для окисленной стали).

По формуле

Теперь определим потерю тепла при наличии экранов. Определяем приведенные коэффициенты черноты:

Эквивалентная степень черноты

Количество тепла, переданного излучением

Таким образом, в результате постановки экранов потеря тепла уменьшилась в

Для определения температуры алюминиевого листа составим уравнение

Решая это уравнение, находим

Пример . Для измерения температуры потока горячего воздуха, протекающего по каналу, использована термопара. Между спаем термопары и стенками канала (рис. 88) возникает лучистый теплообмен, который искажает показания термопары. Для уменьшения погрешности при измерении температуры термопара закрывается экранной трубкой 1. Найти действительную температуру воздушного потока, если термопара показывает температуруt= 200° С. Температура внутренней стенки каналаt ст = 100° С. Степень черноты экрана и спая термопары одинаковы и равны 0,8. Коэффициент теплоотдачи от воздуха к спаю термопарыα= 40 ккал/м 2 час град, а к поверхности экранаα= 10 ккал/м 2 час град.

Р е ш е н и е. Обозначим действительную

(искомую) температуру воздуха t в.

Температура, определяемая по

термопаре, является температурой

ее спая t.

Составим уравнение теплового баланса спая термопары. Количество тепла, полученное спаем за счет конвекции, равно

а количество тепла, отданное излучением от поверхности Fспая к поверхностиF э окружающей спай термопары экранной трубки,

где Т э - абсолютная температура внутренней поверхности экранной трубки.

Учитывая, что F э >>F, получим
.

При стационарном режиме баланс тепла для спая термопары будет выражаться уравнением

Теперь составим баланс тепла для экранной трубки, пренебрегая термическим сопротивлением самой трубки. Приход тепла за счет конвекции

Приход тепла за счет излучения спая термопары, очевидно, равен теплу

которое, в свою очередь, равно

Расход тепла за счет излучения наружной поверхности экранной трубки на окружающие стенки канала

и так как в данном случае F ст >>F э, то
. Таким образом, тепловой баланс экранной трубки выражается уравнением

Обычно в этом уравнении пренебрегают первым членом в левой

части (в силу F э >>F). Тогда

Совместное решение уравнений позволяет определить искомую

Температуру t в

Полученные уравнения решаем графически, вычисляя по ним

Температуру t в в зависимости отt э. Точка пересечения соответствующих кривых (рис. 89) определяет температуруt в:

Ошибка в определении температуры при помощи термопары

Пример . Определить количество тепла, переданное излучением стальным трубам, расположенным в газоходе водотрубного парового котла. Парциальные давления углекислоты в водяных паров в дымовых газах равны соответственноp С O 2 = 0,15 ата иp H 2 O = 0,075 ата. Наружный диаметр трубd= 51 мм; их продольный шагs 1 = 90 мм и поперечный шагs 2 =70 мм. Температура газов

н
а входе в газоходt / =1000 0 С, а на выходе из газоходаt // =800 0 C. Температура наружной

поверхности труб постоянна

и равна t ст =230 0 С.

Р е ш е н и е. Предварительно

определяем среднюю температуру

потока газов, которую принимаем

равной расчетной температуре t газ.

Соответствующие эффективные толщины слоя

По графикам рис. 85 и 86 находим

Поправка βна парциальное давление водяных паров (по рис. 87)β=1,06.

По формуле

Коэффициент теплоотдачи излучением

Пример . В цилиндрической стальной трубе с внутренним диаметромd= 0,25 м движется смесь газов. Средняя температура газовt газ = 1100 0 С. Парциальное давление углекислоты

= 0,45 ата. Температура стенкиt ст = 300 0 С. Определить количество тепла, переданное излучением на 1 пог. м трубы.

Р е ш е н и е. Приведенная длина луча

S=0,9d=0,9·0,25=0,225 м.

Эффективная толщина излучающего слоя

s
=0,225·0,45=0,101 м ата.

По рис. 85 определяем при t= 1100° С
=0,10: приt= 300 0 С
= 0,095. Поскольку в смеси отсутствует водяной пар, то газ = 0,10 и
= 0,095.

По формуле

На 1 пог. м

Задачи

453. Определить количество тепла, излучаемое стальной плитой при температуре t 1 = 600 0 С на латунный лист такого же размера при температуреt 2 = 27 0 С, расположенный параллельно плите. Определить также коэффициент теплоотдачи излучением.

Ответ: q 12 =5840 ккал/м 2 час;α л = 10,2 ккал/м 2 час град.

454. Между двумя параллельными плоскостями происходит лучистый теплообмен. Поверхность, имеющая температуру t 1 =

600° С и степень черноты =0,64, излучает тепло в количестве

q 12 = 1000 ккал/м 2 час. Определить температуру тепловоспринимающей алюминиевой шероховатой поверхности (= 0,055).

Ответ: t 2 =390 0 С.

455. Определить количество тепла q 12 ккал/м 2 час, излучаемое поверхностью плоской стенки на другую параллельно расположенную плоскую стенку. Температуры стенок соответственно равныt 1 = 227° С иt 2 =27 0 С. Определение произвести для четырех вариантов:

а) С 1 = С 2 =С s = 4,9 ккал/м 2 час град 4 (абсолютно черные поверхности);

б) С 1 = С 2 = 4,3 ккал/м 2 час град 4 (стальные матовые поверхности);

в) С 1 = 4,3 ккал/м 2 час град 4 (стальная матовая поверхность),

С 2 = 0,3 ккал/м 2 час град 4 (белая жесть);

г) С 1 = С 2 = 0,3 ккал/м 2 час град 4 (белая жесть).

Ответ: а) q 12 =2660 ккал/м 2 час; 6)q 12 =2080 ккал/м 2 час;

в) q 12 = 160 ккал/м 2 час; г)q 12 = 84 ккал/м 2 час.

456. Стальная труба диаметром d= 200 мм и длиной 1 = 5 м находится в кирпичном помещении, ширина которого а = 8 м и высотаh= 5 м. Определить для трубы потерю тепла излучением, если температура поверхности трубыt 1 = 327° С, а температура поверхности стен помещенияt 2 = 27° С.

Ответ: Q 12 =14950 ккал/час.

457. Решить предыдущую задачу при условии, что а) стальная труба находится в кирпичном коридоре сечением 2 х 1 м и б) стальная труба находится в кирпичном канале сечением 350 х 350 мм. Температура стенок в том и в другом случае t 2 = 27° С. Результаты сравнить с ответом предыдущей задачи.

Ответ: а) Q 12 =14900 ккал/час; б)Q 12 = 14500 ккал/час.

458. Определить потерю тепла за счет излучения одним пог. м стального паропровода. Наружный диаметр паропровода равен d= 0,2 м, температура его поверхностиt 1 = 310 0 С, а температура

окружающего воздуха t 2 = 50 0 С. Результаты решения сравнить с ответом задачи 442.

Ответ: q= 2575 ккал/пог. м час; потеря тепла за счет излучения больше, чем потеря тепла путем конвективного теплообмена, в 2,36 раза.

459. Чугунная топочная дверца размером 500 х 400 мм парового котла имеет температуру t 1 = 540° С (= 0,64). Определить количество излучаемого тепла, если температура в котельном отделенииt 2 = 35° С. Определить также коэффициент теплоотдачи излучением.

Ответ: Q=2680 ккал/час;α л =2б,5 ккал/м 2 час град.

460. Определить теплоотдачу излучением между стальными матовыми параллельными поверхностями (см. задачу 455 6), если между ними поместить экран в виде тонкого стального листа с таким же коэффициентом излучения.

Ответ: q 12 = 1040 ккал/м 2 час.

461. Решить задачу 460 при условии, что между стальными поверхностями помещен экран, состоящий из четырех стальных тонких листов с таким же коэффициентом излучения.

Ответ: q 12 =416 ккал/м 2 час.

462. Решить задачу 455 6 при условии, что между стальными поверхностями размещен экран из белой жести. Результат решения сравнить с ответом задачи 455 6.

Ответ: q 12 =81 ккал/м 2 час, т. е. количество переданного тепла уменьшается примерно в 25 раз.

463. Решить задачу 455 6 при условии, что между стальными поверхностями размещен экран, состоящий из двух листов белой жести.

Ответ: q 12 = 41,5 ккал/м 2 час.

464. Топка парового котла заполнена пламенным факелом, имеющим условную температуру t 1 = 1000 0 С и условную степень черноты= 0,3. Определить количество тепла, излучаемого через шуровочное отверстие топки, закрытое чугунной дверцей (=0,78) а также температуру самой дверцы, если температура в котельном отделенииt 2 = 30 0 С (чугунную дверцу можно рассматривать как плоский экран между факелом и окружающей средой). Степень черноты окружающей среды принять равной 1,0.

Ответ: q=25530 ккал/м 2 час;t дв =б5б° С.

465. Решить предыдущую задачу при условии, что чугунная дверца снабжена чугунным отражателем, расположенным со стороны топки (такой отражатель можно рассматривать как экран).

Ответ: q=19890 ккал/м 2 час;t дв = 580° С.

466. Решить пример на стр. 225 при условии, что спай термопары не защищен экранной трубкой.

Ответ: t в =230 0 С; ошибка в определении температуры составляет 13%.

467. Решить задачу 458 при условии, что паропровод окружен экраном из листовой стали (= 0,82). Диаметр экранаd э = 0,3 м. Между паропроводом и стальным экраном находится воздух. При определении потери тепла за счет излучения конвективный теплообмен между экраном и воздухом не принимать во внимание. Определить также температуру экрана. Результаты сравнить с ответом задачи 458. Ответ:q= 1458 ккал/пог. м час;t э =199° С.

468. Решить предыдущую задачу с учетом конвективного теплообмена между экраном и воздухом, принимая коэффициент теплоотдачи равным α э = 20 ккал/м 2 час град. Результат сравнить с ответом задач 458 и 467.

Ответ:q= 1890 ккал/пог. м час;t э = 126° С.

У к а з а н и е. При решении задачи 468 необходимо составить

уравнение баланса тепла.

469. Паропровод диаметром d= 0,2 м (указанный в задаче 458) покрыт тепловой изоляцией, состоящей из 5 экранов из алюминиевой фольги (= 0,055). Расстояние между слоями фольги равно= 5 мм. Определить, во сколько раз потеря тепла излучением изолированного паропровода меньше, чем потеря тепла неизолированного паропровода. Ответ: В 127 раз меньше.

470. Определить коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием от дымовых газов к стенкам водогрейных труб парового котла. Наружный диаметр труб d= 44,5 мм, продольный шаг труб в ряду

s 1 = 135 мм, а поперечный шагs 2 = 90 мм. Температура газов на входе в газоходt / = 900 0 С, а на выходеt // = 700° С. Температура поверхности стенок трубt ст = 300° С. Парциальные давления трехатомных газов равны:
= 0,18 ата и
= 0,08 ата.

Ответ: α л 12,8 ккал/м 2 час град.

471. Решить предыдущую задачу при условии, что шаги труб уменьшены до s 1 = 81 мм иs 2 = 65 мм, а остальные исходные данные оставлены без изменения. Ответ:α л =8 ккал/м 2 час град.

472. В узком канале сечением 820 х 20 мм движется смесь газов следующего состава (по объему): N 2 = 73%; О 2 = 2%; СО 2 = 15%;H 2 O= 10%. Средняя температура смеси газовt газ = 900° С, давление смеси р = 1 ата. Стенки канала выполнены из листовой стали. Температура на поверхности стенок каналаt ст = 100° С. Определить количество тепла, переданное от газов к стенкам канала излучением. Ответ:q=4000 ккал/м 2 час.

Изучение теплового излучения. определение степени черноты вольфрама лампы накаливания

3.1 Тепловое излучение и его характеристики

Тела, нагретые до достаточно высоких температур, способны излучать электромагнитные волны. Свечение тел, связанное с нагреванием получило название теплового излучения. Это излучение является самым распространенным в природе. Тепловое излучение может быть равновесным, т.е. может находиться в состоянии термодинамического равновесия с веществом в замкнутой (теплоизолированной) системе. Количественной спектральной характеристикой теплового излучения служит спектральная плотность энергетической светимости (излучательная способность):

где -спектральная плотность энергетической светимости; - энергия электромагнитного излучения, испускаемая за единицу времени с единицы площади поверхности тела в интервале длин волн от до ;

Характеристикой полной мощности теплового излучения с единицы площади поверхности тела во всем интервале длин волн от до служит энергетическая светимость (интегральная энергетическая светимость):

3.2. формула планка и законы Тепловое излучение черного тела

· закон стефана-больцмана

В 1900 г Планк выдвинул гипотезу, согласно которой атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а порциями-квантами. В соответствие с гипотезой Планка спектральная плотность энергетической светимости определяется следующей формулой:

. (3)

Из формулы Планка можно получить выражение для энергетической светимости. Подставим значение спектральной плотности энергетической светимости тела из формулы (3) в выражение (2):

(4)

Для вычисления интеграла (4) введем новую переменную . Отсюда ; . Формула (4) при этом преобразуется к виду:

Так как , то выражение (5) для энергетической светимости будет иметь следующий вид:

. (6)

Соотношение (6) представляет собой закон Стефана-Больцмана, где постоянная Стефана-Больцмана Вт/(м 2 К 4).

Отсюда вытекает определение закона Стефана-Больцмана:

Энергетическая светимость абсолютно черного тела прямопропорциональна четвертой степени абсолютной температуры.

В теории теплового излучения наряду с моделью черного тела часто пользуются понятием серого тела. Тело называется серым, если его коэффициент поглощения одинаков для всех длин волн и зависит только от температуры и состояния поверхности. Для серого тела закон Стефана-Больцмана имеет вид:

где - коэффициент излучения теплового излучателя (коэффициент черноты).

· первый закон вина (закон смещения Вина)

Исследуем соотношение (3) на экстремум. Для этого определим первую производную от спектральной плотности по длине волны и приравняем ее к нулю.

. (8)

Введем переменную . Тогда из уравнения (8) получим:

. (9)

Трансцендентное уравнение (9) в общем случае решается методом последовательных приближений. Так как для реальных температур , то можно найти более простое решение уравнения (9). Действительно, при этом условии соотношение (9) упрощается и принимает вид:

которое имеет решение при . Следовательно

Более точное решение уравнения (9) методом последовательных приближений приводит к следующей зависимости:

, (10)

где мК.

Из соотношения (10) вытекает определение первого закона Вина (закона смещения Вина).

Длина волны , соответствующая максимальной спектральной плотности энергетической светимости обратнопропорциональна температуре тела.

Величина получила название постоянной закона смещения Вина.

· второй закон вина

Подставим значение из уравнения (10) в выражение спектральной плотности энергетической светимости (3). Тогда получим максимальную спектральную плотность:

, (11)

где Вт/м 2 К 5 .

Из соотношения (11) вытекает определение второго закона Вина.

Максимальная спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела прямопропорциональна пятой степени абсолютной температуры.

Величина получила название постоянной второго закона Вина.

На рисунке 1 представлена зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны для некоторого тела при двух различных температурах. С повышением температуры площадь под кривыми спектральной плотности должна увеличиваться пропорционально четвертой степени температуры в соответствии с законом Стефана-Больцмана, длина волны, соответствующая максимальной спектральной плотности уменьшаться обратнопропорционально температуре согласно закону смещения Вина и максимальное значение спектральной плотности увеличиваться прямопропорционально пятой степени абсолютной температуры в соответствии со вторым законом Вина.

Рисунок 1

4. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

В данной работе в качестве излучающего тела используется нить накала электрических ламп различной мощности (25, 60, 75 и 100 Вт). Для определения температуры нити накаливания электрических лампочек снимается вольтамперная характеристика, по которой определяется величина статического сопротивления () нити накаливания и рассчитывается ее температура. На рисунке 2 представлена типичная вольтамперная характеристика лампы накаливания. Видно, что при малых значениях тока ток линейно зависит от приложенного напряжения и соответствующая прямая проходит через начало координат. При дальнейшем увеличении тока нить накала разогревается, сопротивление лампы увеличивается и наблюдается отклонение вольтамперной характеристики от линейной зависимости, проходящей через начало координат. Для поддержания тока при большем сопротивлении требуется большее напряжение. Дифференциальное сопротивление лампы монотонно уменьшается, а затем принимает почти постоянное значение и вольтамперная характеристика в целом носит нелинейный характер. Считая, что потребляемая электрической лампой мощность отводится излучением, можно определить коэффициент черноты нити накаливания лампы или оценить постоянную Стефана-Больцмана по формуле:

, (12)

где - площадь нити накаливания лампы; - степень черноты; - постоянная Стефана-Больцмана.

Из формулы (12) можно определить коэффициент черноты нити накаливания электрической лампы.

. (13)

Рисунок 2

На рисунке 3 представлена электрическая схема установки для снятия вольтамперной характеристики лампы, определения сопротивления нити, её температуры и изучения законов теплового излучения. Ключи К 1 и К 2 предназначены для подключения электроизмерительных приборов с необходимыми пределами измерения тока и напряжения.

Переменное сопротивление подключается в цепь переменного тока с напряжением сети 220В по потенциометрической схеме, обеспечивающей плавное изменение напряжения от 0 до 220 В.

Определение температуры нити накаливания основано на известной зависимости сопротивления металлов от температуры:

где - сопротивление нити накаливания при 0 0 С; - температурный коэффициент сопротивления вольфрама, 1/град.

Рисунок 3

Запишем выражение (14) для комнатной температуры.

. (15)

Разделив почленно выражение (14) на (15), получим:

Отсюда определим температуру нити накаливания:

. (17)

Таким образом, зная статическое сопротивление нити накаливания в отсутствии тока при комнатной температуре и сопротивление нити при протекании тока можно определить температуру нити. При выполнении работы сопротивление при комнатной температуре измеряется цифровым электроизмерительным прибором (тестером), а статическое сопротивление нити накаливания рассчитывается по закону Ома

6. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Выкрутите лампу накаливания из патрона и с помощью цифрового электроизмерительного прибора определите сопротивление нити испытываемой электрической лампы при комнатной температуре. Результаты измерений запишите в таблицу 1.

2. Вверните лампу в патрон, снимите вольтамперную характеристику лампы (зависимость силы тока от напряжения). Силу тока измеряйте через каждые 5 мА после непродолжительной выдержки в течение 2-5 мин.. Результаты измерений запишите в таблицу 1.

3. Рассчитайте по формуле (18) и (17) сопротивление и температуру нити в 0 С и К.

4. Рассчитайте по формуле (13) коэффициент черноты нити накаливания. Результаты расчет запишите в таблице 1.

Экспериментальные данные для расчета коэффициента черноты

Таблица 1