011 Определение коэффициента излучения электропродящих

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
К а ф е д р а «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ИЗЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ
МАТЕРИАЛОВ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИМ
МЕТОДОМ ПРИ ИМИТАЦИОННОМ
МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССА
ТЕПЛООБМЕНА
Методические указания к компьютерной
лабораторной работе № 011МТП
Самара
Самарский государственный технический университет
2008
Печатается по решению Редакционно-издательского совета СамГТУ
УДК 536.242.2.
Определение коэффициента излучения электропроводящих материалов калориметрическим методом при имитационном моделировании процесса теплообмена:
Метод. указ/ Сост. Г.М.Синяев. Самара; Самар.гос. тех. Ун-т, 2008. 28 с.: ил.
Методические указания предназначены для студентов теплоэнергетических специальностей 140101, 140104,140105,140106 и других специальностей при выполнении
ими экспериментальных исследований на имитационных компьютерных моделях лабораторных установок по дисциплинам «Теоретические основы теплотехники», «Тепломассообмен», «Теоретические основы тепломассопереноса», «Теплотехника» и другим
дисциплинам, в которых изучается теплообмен.
Определение коэффициента излучения электропроводящих материалов калориметрическим методом при имитационном моделировании процесса теплообмена
Составитель: Синяев Геннадий Михайлович
УДК 536.242.2.
Редактор В. Ф. Е л и с е е в а
Технический редактор В.Ф. Е л и с е е в а
Подп. в печать 07.06.08. Формат 60х84 1/16. Бум. офсетная. Печать офсетная.
Усл. п. л. 1,47. Усл. кр.-отт. Уч-изд. л. 1,46. Тираж 50. Рег № 233.
Самарский государственный технический университет
443100. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Главный корпус
Составитель: Г.М.Синяев
Рецензент докт. тех. наук, проф. А.А. Кудинов
© Г.М.Синяев
составление, 2008
© Самарский государственный технический университет, 2008
Отпечатано в типографии
Самарского государственного технического университета
443100. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Корпус № 8
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Основные положения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. Экспериментальная установка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
3. Программное обеспечение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1. Запуск оборудования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
3.2. Основное окно программы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
3.3. Окно измерений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
4. Панель инструментов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.1. Работа с файлами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
4.2. Предварительный просмотр и печать. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.3. Установки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
4.4. Редактирование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.5. Пиктограммы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5. Окно списка сохраненных значений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
6. Порядок проведения опытов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
7. Обработка результатов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
8. Оценка погрешностей результатов исследований. . . . . . . . . . . . 23
9. Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
10. Содержание отчета. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
11. Библиографический список. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
12. Приложение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Приложение.
Физические параметры сухого воздуха при нормальном
атмосферном давлении.
t1
С
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
28
ср
кДж/(кгК)
1,005
1,005
1,005
1,005
1,005
1,005
1,009
1,009
1,009

кг/м3
1,247
1,205
1,165
1,128
1,098
1,06
1,029
1
0,972
0 
В/(мК)
2,51
2,59
2,67
2,75
2,82
2,89
2.96
3,04
3,12

0 
Пас
20,06
21,42
22,54
24,26
25,72
27,26
28,85
30,48
32,03

0 
м2/с
14,16
15,06
16.00
16,96
17.95
18,97
20,02
21,09
22,1

Таблица 4.
Рr
0,705
0,703
0,701
0,699
0,698
0,696
0,694
0,692
0,69
Цель работы - экспериментально определить коэффициент
излучения электропроводящего материала в зависимости от температуры и характеристик поверхностей (шероховатости и степени окисления).
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Все нагретые тела излучают энергию в виде электромагнитных
волн, распространяющихся в вакууме со скоростью света С = 299,8106
м/с.
От длины волны зависит действие излучения при падении его на
вещество (табл. 1).
Примерная классификация электромагнитных колебаний.
Виды излучения
Космическое (корпускулярное)
 - излучение
Рентгеновское
Ультрафиолетовое
Видимое
Тепловое (инфракрасное)
Электромагнитные волны
Таблица 1.
Длина волны излучения , м
Порядка 0,0510-12
0,0510-12  0,110-12
110-12
 2010-9
2010-9
 0,410-6
-6
0,410
 0,810-6
-6
0,810
 0,810-3
0,210-3
 103
Тепловое излучение, заполняющее некоторую область пространства, как процесс распространения электромагнитных волн, испускаемых телом, совершенно не зависит от температуры окружающей среды.
В противоположность лучистому переносу энергии тепловой поток, возникающий в твердых, жидких и газовых телах под влиянием
теплопроводности и конвекции, связан с температурным полем через
градиент температуры.
Большинство твердых и жидких тел излучают энергию всех длин
волн, т. е. имеют сплошной спектр излучения с  от 0 до . К таким
телам относятся непроводники и полупроводники электричества, а так
1
же металлы с окисленной шероховатой поверхностью. Чистые металлы
с полированной поверхностью, газы и пары излучают энергию дискретно в определенных интервалах длин волн (имеют прерывистый спектр.
Твердые и жидкие тела имеют значительные поглощательную и
излучательную способности. Эти процессы у них протекают в тонких
поверхностных слоях.
Интенсивность излучения зависит от природы тела, его теплового
состояния (температуры), длины волны, состояния поверхности, а для
газов и паров еще от толщины слоя и давления, так как их излучение и
поглощение осуществляются всеми частицами объема вещества.
Процесс лучистого теплообмена между телами – это процесс
превращения тепловой энергии в лучистую и обратно. Лучеиспускание
свойственно всем телам при температурах, отличных от абсолютного
нуля. Количество энергии излучения, передаваемое в единицу времени
через произвольную поверхность Е, Вт называется потоком излучения.
Различают монохроматический и интегральный потоки излучения,
Из энергии излучения абсолютно черного тела Е0, которая падает
на тело в результате излучения других тел, часть ЕА поглощается телом,
часть ЕR отражается, часть ЕD проходит сквозь него, если оно прозрачное. Следовательно,
E A ER ED


 1,
E0 E0 E0
(1)
где А, R, D - поглощательная, отражательная и пропускательная способности тела, соответственно: А  E А / E0 , D  ED / E0 , R  ER / E0 .
Отсюда
А + R + D = 1.
(2)
В природе не существует идеальных тел. Нет ни абсолютно черного тела (подстрочный индекс – 0), у которого А = 1, ни абсолютно
белого - R = 1, ни абсолютно прозрачного (диатермичного) - D = 1.
Введение в рассмотрение процессов идеальных тел необходимо,
так как они дают предельные значения свойств, которые не достижимы
реальными телами. Так, при переносе теплоты излучением между реальными телами для каждого из них
А  R  D  1,
(3)
но в общем случае справедливо соотношение (2).
Значения А, R и D зависят от природы тела, состояния поверхности, температуры и длины волны излучения. Например, обычное
2
6. График возрастания коэффициента излучения у меди в зависимости от качества излучающих поверхностей.
7. Расчеты погрешностей результатов исследований.
8. Выводы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Клименко А.В., Зорин В.М.. Теоретические основы теплотехники. – М.: Изд-во МЭИ, 2001. - 561 с.
2. Мазур Л. Техническая термодинамика и теплотехника. - М.:
ГЭОЭР-МЕД, 2003. - 350 с.
3. Теория тепломассообмена. Учебник для технических университетов и вузов / С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов и др.; Под
ред. А.И. Леонтьева – 2-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.
Баумана, 1997. - 683 с.
4. Кудинов В.А., Карташов Э.М. Техническая термодинамика. М.: Высшая школа, 2003. - 261 с.
5. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981. - 486 с.
6. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.:
Энергия, 1977. - 319 с.
7. Мухачев Г. А., Щукин В. К. Термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1991. - 479 с.
8. Нащокин В. В. Техническая термодинамика и теплопередача.
- М.: Высшая школа, 1980. - 261 с.
9. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов
теплообмена. - М.: Энергия, 1979. - 319 с.
10. Задачник по технической термодинамике и теории тепломассообмена / Под ред. В. Крутова, Г. Петражицкого. - М.: Высшая школа, 1986. - 383 с.
11. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. - М: Высшая школа, 2001. - 550 с.
12. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. М.: Энергия, 1980. - 288 с.
13. Цветков Ф.Ф., Керимов Р.В., Величко В.И. Задачник по тепломассообмену. Учебное пособие для теплоэнергетических специальностей вузов. - М.:
МЭИ. 1997. - 136 с.
27
6. Что называется поглощательной и излучательной способностью
твердых и жидких тел?
7. Каким спектром излучения обладают непроводники, полупроводники электричества и металлы с окисленной поверхностью?
8. Каким спектром излучения обладают металлы с полированной
поверхностью, газы и пары?
9. От чего зависит интенсивность излучения твердого тела?
10. От чего зависит интенсивность излучения газов и паров?
11. Какие потоки излучения Вы знаете?
12. Что такое спектральная плотность потока излучения?
13. Что такое поглощательная, отражательная и пропускательная
способности тела?
14. Сформулируйте закон Планка для абсолютно черного тела.
15. Сформулируйте закон Вина для мак .
16. Сформулируйте закон Стефана-Больцмана.
17. Определите понятия коэффициента излучения.
18. Дайте определение спектральной степени черноты.
19. Определите понятие «степень черноты».
20. Сформулируйте закон Кирхгофа.
21. Что такое собственное и отраженное излучение?
22. Что такое эффективное излучение?
23. Как определяется результирующее излучение?
24. Определите, что такое "угловой коэффициент излучения».
25. Как определяется результирующий поток излучения?
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет о работе должен содержать.
1. Формулировку цели работы.
2. Краткие теоретические сведения.
3. Принципиальную схему экспериментальной установки и ее
описание.
4. Порядок проведения опыта.
6. Таблицы экспериментально замеренных и вычисленных величин.
5. Графики зависимости коэффициентов излучения и степени
черноты металлических проволок от температуры.
26
стекло пропускает видимые лучи и является непроницаемым для ультрафиолетовых лучей и в очень малой степени проницаемо для тепловых лучей.
Законы теплового излучения получены применительно к идеальному абсолютно черному телу и термодинамическому равновесию.
Равновесным тепловым излучением называют тепловое излучение тел в замкнутых изотермных системах. Тепловое излучение имеет
динамический характер. Тела в равновесной термодинамической системе одновременно излучают и поглощают энергию в одинаковых количествах, а результирующий поток энергии равен нулю ( E рез = 0).
Отношение плотности потока излучения, испускаемого в бесконечно малом интервале длин волн, к величине этого интервала длин
волн называется спектральной плотностью потока излучения Е.
Зависимость спектральной плотности потока излучения от длины
волны и температуры для абсолютно черного тела устанавливается законом Планка:
E0 
C1 s
 C
2
( T ) 1
,
(4)
где Е0 - спектральная плотность потока излучения (спектральная интенсивность излучения) абсолютно черного тела, Вт;  - основание
натуральных логарифмов; С1 = 3,7410 –16 Вт/м2 и С2 = 1,43810-2 мК –
постоянная закона Планка;  - длина волны, м; Т – абсолютная температура, К.
Излучение абсолютно черного тела имеет непрерывный спектр и
зависит только от температуры и длины волны. При длинах волн  = 0
и  =  спектральная плотность излучения равна нулю. С повышением
температуры при данной длине волны Е0 возрастает. Спектральная
плотность потока излучения Е0 имеет свое максимальное значение при
каждой температуре излучения (рис. 1).
С увеличением температуры абсолютно черного тела максимум
смещается в сторону коротких волн.
Длина волны mах, на которую приходится максимум при данной
температуре Т, определяется следующим образом:
mах Т = 2,897810-3 мК
(5)
3
Соотношение (5) составляет содержание закона Вина.
Предел допускаемой абсолютной погрешности определения
электрической мощности
E12 
I н I 2  U н U 2 ,
где Iн и Uн – номинальные значения тока и напряжения соответственно; Iн и Uн – пределы допускаемых значения погрешности в соответствии с классом точности и шкалой прибора.
Предел допускаемой относительной погрешности определения
электрической мощности находится из соотношения
Q 
Рис.1. Спектры излучения абсолютно черного тела.
Пользуясь уравнением (5), можно вычислить температуру тела по
распределению интенсивности в его спектре, рассматривая тело как
черное или серое. Для Солнца m  0,48 мК, тогда температура его поверхности Т  6000 К.
Закон Планка получен для абсолютно черного тела, а для нечерных тел он выражает максимально возможную плотность потока излучения.
Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость плотности потока интегрального полусферического излучения абсолютно черного тела Е0 от температуры:

4
 T 
E0   E0 d  C 0 
 ,
 100 
0
(6)
где Е0 – плотность потока интегрального полусферического излучения
абсолютно черного тела, Вт/м2; С0 – коэффициент излучения абсолютно черного тела;
С0 = 5,6687 Вт/(м2К4), Т – абсолютная температура тела.
Закон Стефана-Больцмана строго справедлив для серого излучения (рис. 2).
4
Q12
 100% .
Q12
Погрешность в определении температуры вольфрамовой проволоки принять равной  2%.
Погрешность в определении сопротивления проволоки принять
равной 5%.
Погрешность в определении удельного сопротивления принять
равной 1%.
Погрешность измерения температуры воды Т2 принять равной
1%.
Относительная погрешность определения коэффициента излучения проволоки находится из следующего уравнения:

  4 T1
T2

 T24
2
 4 T1
2
T1
T2
 I   U    
C1
 100%     


 

C1
10 8 T14  T24
 I y   U  






 




2
1
 2

 .




КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она
достигается.
2. Назовите основные элементы экспериментальной установки и
укажите их назначение.
3. Каков порядок проведения опытов?
4. Что такое «тепловое излучение»?
5. Что такое «лучистый теплообмен»?
25
имитационной установке для каждого режима нагрева и теплообмена
необходимо учитывать класс применяемого измерительного прибора и
его допустимые погрешности измерений в соответствии с метрологическими требованиями ГОСТ 8.009-84 и ГОСТ 8.508-86. Практически при
выполнении работы на каждом заданном стационарном режиме нагрева
проводятся однократные измерения электрических и температурных
параметров. Поэтому при оценке погрешностей рекомендуется следующий порядок расчета.
Определяется класс точности измерительного прибора и оценивается погрешность измерения величины на избранном диапазоне измерений. (Для стрелочных приборов предел погрешности отсчета принимается равным 0,5 деления шкалы). Предел допустимой основной
погрешности средства измерения оценивается по формуле
 
Xн
,
100
где Хн – нормируемое значение измеряемой или определяемой физической величины;  - предел допускаемой погрешности прибора (класс
точности прибора).
Предел допустимой погрешности измерения силы тока нагрева
- Iн определяется по формуле
 I k

 Ix


I

  100%   1,0   k  1 ,

 Ix


где Ік – предел измерения тока, Іх – значение измеряемого тока.
Предел допустимой погрешности измерения U падения напряжения определяется по формуле

 U k

 U  
 U   100%   1,0   U  1 ,


x



где Uk – предел измерения напряжения; Uх – показания напряжения.
Погрешность определения электрической мощности, затрачиваемой на нагрев вольфрамовой проволоки, оценивается как погрешность
косвенных измерений с учетом класса точности измерительного прибора
2

 
  
E12  
U   
I x  .
 U
  I x

2
24
Рис. 2. Плотность потока излучения в зависимости
от длины волны при одинаковой температуре:
1 – абсолютно черное; 2 – серое; 3 – селективное излучение.
Спектральная плотность излучения для каждого серого тела Е
составляет некоторую и притом одинаковую для всех длин волн и температур долю от спектральной плотности излучения Е0 абсолютно
черного тела, то есть
E
(7)
 const   
E0
Величина  называется спектральной степенью черноты ( спектральная относительная испускательная способность), численное значение которой зависит от физических свойств, качества поверхности
того или иного серого тела.
Очевидно, что согласно условиям, определяющим серое излучение, спектры излучения серого и абсолютно черного тел при одинаковых температурах подобны друг другу, а интегральная степень черноты
 равна спектральной :

4
 T 
E0   E0 d  C 0 
 и   
 100 
0
(8)
5
Закон Стефана-Больцмана для определения плотности потока интегрального полусферического излучения серого тела записывается в
виде:


4
ставляя энергии интегрального излучения серого и абсолютно черного
тела (8), степень черноты  серого тела можно представить через отношение коэффициентов излучения:

E

E0
а
б
Номер
режи
ма
Хар-ка
поверхности
 T 
C0 

 100 
4

C
.
C0
(10)
Падение
Сила
напря- тока
жения I, A
U, В
Температура воды
t2вх
0
С
Рассчитываемые величины
t2вых R1
Т1
Т2 Q
1
Ом
К
К
-
0
C
Вт
С1,
Bт
m2 K 4
1
Тщательно
полированная
4
Значение  для серых тел лежит в пределах от 0 до 1, а коэффициент излучения от 0 до 5,6687 Вт/(м2К4).
Как показали опыты, большинство технических материалов (непроводники и полупроводники электричества, металлы в окисленном
состоянии) в достаточной степени отвечают требованиям серого тела.
Применение закона Стефана-Больцмана к реальным телам, принимаемым за серые тела, является справедливым лишь в той мере, в
какой можно допустить, что коэффициент излучения постоянен и не
зависит от температуры. В действительности коэффициент излучения
(степень черноты) этих тел определяется не только его природой и температурой излучающей поверхности, но и его состоянием. С увеличением шероховатости поверхности величина  заметно возрастает. Так,
например, для тщательно полированной электролитной меди  = 0,018,
а для продолжительно нагревавшейся, покрытой тонким слоем окиси, 
= 0,78.
Коэффициент излучения или степень черноты в большинстве
случаев определяются экспериментально.
В отличие от серых тел, тела с селективным излучением (рис. 2,
область 3) могут излучать и поглощать энергию в определенных, характерных для каждого тела областях спектра.
Закон Кирхгофа устанавливает связь между свойствами тела как
поглотителя энергии, и как излучателя ее и формулируется так: отно6
Таблица 3.
Варианты
4
 T 
 T 
(9)
E   E d    E0 d  C0 
  C
 ,
 100 
 100 
0
0
где С = С0 - коэффициент излучения серого тела, Вт/(м2К4). Сопо-
 T 
C

 100 
Протокол испытаний и результатов обработки данных.
2
Полированная
3
Продолжительно
нагреваемая
4
Окисленная при
нагреве
ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
Специфика методики по оценке погрешностей заключается в
том, что в данной лабораторной работе используется имитационное моделирование режимов нагрева и теплообмена по жесткой, заранее заданной программе.
Переход с одного режима на другой осуществляется ступенчато,
а значения падения напряжения, тока нагрева и температуры воды на
входе и выходе калориметрического участка строго фиксированы.
Измерительная информация снимается с помощью установленного на
пульте управления измерительного прибора и отображается на экране
монитора. Поэтому при обработке результатов эксперимента на имита-
23
шение лучеиспускательной способности тела к поглощательной способности одинаково для всех тел, находящихся при одной и той же
температуре, и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре.
4
E
E1 E2
E E
 T 

    0  0  E0  C 0 
  f T  . (11)
A1 A2
A A0
1
 100 
Уравнение (11) можно представить в виде:
E
A

 A , т. е.   A .
(12)
E 0 A0
Следовательно, степень черноты  какого-либо тела во всем ин-

тервале черного излучения равна поглощательной способности того же
тела при той же температуре.
Для монохроматического излучения для каждой длины волны в
отдельности
Рис.13. Изменение удельного сопротивления вольфрама
и меди в зависимости от температуры.
E E0  E0 


 E0    , T  , а    A ,
A
A0
1
С допустимой точностью можно считать, что вся теплота, выделенная нагретой проволокой при стационарном режиме лучистого теплообмена, отдана через стеклянную стенку охлаждающей воде. Так как
термическое сопротивление тонкой стеклянной стенки мало (), то
можно принять, что температура Т2 стенки поверхности равна средней
температуре охлаждающей воды. Тогда
температуру Т2 определяем по формуле
T2 
t2 в х  t2 в ых
 273,15 , К.
2
(31)
6. Определяется коэффициент облучения С1 и степень черноты
1 поверхностей материалов из формул (26).
7. Результаты обработки опытных данных сводятся в табл. 3.
8. Строятся графики зависимости коэффициентов излучения и
степени черноты поверхности вольфрамовой проволоки от температуры
С1 = (Т1) и 1 = (Т1).
9. Строится график возрастания коэффициента излучения у меди в зависимости от качества излучающих поверхностей (влиянием незначительного расхождения Т1 пренебречь).
22
(13)
Закон утверждает, что «отношение спектральной плотности излучения какого-либо тела при определенной длине волны к его поглощательной способности при той же длине волны одинаково для всех тел,
находящихся при одной и той же температуре, и равно спектральной
плотности излучения абсолютно черного тела при той же температуре и
длине волны».
Из закона Кирхгофа следует, что поскольку величина поглощательной способности А лежит в интервале между 0 и 1, то лучеиспускательная способность всех тел меньше, чем лучеиспускательная способность абсолютно черного тела. Лучеиспускательная способность тел
тем больше, чем больше их поглощательная способность.
Задачу лучистого теплообмена между телами можно решать поразному. Например, используя метод эффективных потоков излучения
тел, или метод многократных отражений.
Рассматривая процесс лучистого теплообмена видно, что для непрозрачных тел (D = 0; A + R = 1) эффективное излучение тела равно
сумме плотностей потоков собственного и отраженного излучения, то
есть
(14)
Eэф  Eсоб  Еотр  Eсоб  R  Eпад. эф.  Eсоб  1  AEпад. эф.
7
Результирующая плотность потока излучения q1,2 между телом и
окружающей его средой представляется разностью между эффективными плотностями встречных потоков.
q1, 2  E1эф  E 2 эф  E1  1  AE 2 эф  E 2 эф  E1  A1 E 2 эф (15)
секция 1 - регулировка нагрева холодного и горячего теплоносителей и регулировка напряжения и силы тока.
Каждая секция может работать автономно. В правом нижнем
углу находится включатель каждой секции (подключения регуляторов,
индикаторов).
В правом верхнем углу пульта управления расположен включатель дисплея (подсветка), а ниже регулятор яркости дисплея.
В данной работе используется только секция 1 пульта управления и регулятор силы тока и напряжения (регулятор в левом нижнем
углу секции 1).
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
Рис. 3. Терминология лучистых потоков для непрозрачного
тела (D = 0; A + R = 1).
Эффективное излучение – это излучение тела, которое мы ощущаем или измеряем приборами; оно больше собственного на величину
(1 - А)Епад. эф.
Физические качества собственного и отраженного излучений
неодинаковы, а их спектры различны. Для тепловых расчетов это различие не имеет значения, ибо здесь рассматривается лишь энергетическая сторона процесса.
Этот способ определения результирующей плотности потока излучения прост и доступен. Он балансирует приборные показания
(например, радиометров) конечных эффектов излучения (15) и не требует знания ни температуры, ни лучеиспускательных способностей
окружающих тел системы для определения энергии падающего излучения.
Метод многократных отражений требует знания температур излучения и лучистых свойств тел при использовании закона СтефанаБольцмана в конкретной геометрической системе.
8
1. Определяется разность температур t2вых и t2вх у воды в охлаждающей рубашке экспериментального участка по формуле (27), Т не
должна превышать 1  1,5 0С.
2. Определяется электрическая мощность нагрева проволоки рабочего участка
E 1,2 = I1 U1, Вт,
(28)
где I1 – сила тока, протекающего через проволоку, А; U1 – падение
напряжения на проволоке рабочего участка, В.
3. Определяется омическое сопротивление рабочего участка
R1 
U1
, Ом.
I1
(29)
4. Так как R1 =  T1 , то для определения температуры нагретой проволоки Т1 необходимо знать удельное сопротивление 1, которое определяется по формуле
R1 S Ом  мм 2
,
,
1 
м
L
(30)
где S – площадь поперечного сечения из меди, мм2, L – длина рабочего участка проволоки между токоподводами (см. табл. 2), м.
После расчета 1 температура нагрева поверхности проволоки
Т1 определяется по графику Т1 =  (1) (рис. 10), построенному на основании справочных данных.
21
5. Определяется температура Т2 окружающей проволоку пверхности стеклянной стенки, которая охлаждается водой калориметра.
8
21
Данная установка позволяет работать на ней в режиме «физического эксперимента», т. е. выполнять экспериментальные исследования
на имитационной компьютерной модели лабораторной «установки»,
управлять режимами работы «установки», используя пульт управления
(рис. 12) и управлять ремами работы с пульта управления.
Регистрация показаний измеряемых величин производится по
индикаторному прибору на пульте управления (рис.12), показания которого дублируются на мониторе.
Пульт управления отдельно изображен на рис. 12.
Определим результирующий лучистый поток E1, 2 системы двух
серых тел, концентрически расположенных сфер, разделенных сферическим вакуумированным пространством (рис. 4). Сферы – внутренняя
1 и внешняя (оболочка) 2 имеют постоянные температуры Т1 и Т2, коэффициенты поглощения А1 и А2 во всех точках своих поверхностей F1
и F2. При Т1  Т2 результирующий поток E1, 2 определяется разностью
между лучистым потоком, поглощенным телом 2, при излучении тела 1
E12 , и потоком, поглощенным телом 1 при излучении тела 2 E21 :
E1, 2  E12  E 21
(16)
В данном случае на первую поверхность попадает лишь некоторая часть энергии, излучаемой второй поверхностью, которая учитывается коэффициентом 2,1, остальное количество проходит мимо и снова
попадает на вторую поверхность.
Коэффициент 2,1 называется угловым коэффициентом излучения. Угловой коэффициент 1.2 = 1 так как энергия, излучаемая первым, всюду выпуклым телом, целиком попадает на второе тело, то есть
1,1 = 0; 2,2 = 1 - 2,1
Рис. 12. Пульт управления работой установки.
На пульте управления расположены четыре секции (под соответствующими номерами).
Для исследований используются все секции:
секция 4 – включение электропитания установки (пульта управления ПУ ММТП),
секция 2 – регулировка расхода холодного теплоносителя,
секция 3 - регулировка расхода горячего теплоносителя,
20
Рис. 4. К расчету диффузного лучистого теплообмена
между концентрическими сферами.
Рассмотрим последовательность движения лучистого потока, испускаемого телом 1 (рис. 4).
9
С единицы поверхности тела 1 излучается поток Е1, единица поверхности 2 поглощает поток Е1А2 и отражает поток Е1(1 - А2). Тело 1
поглощает поток Е1(1 - А2)2,1А1, который определяется угловым коэффициентом 2,1 и поглощательной способностью А1, и отражает к телу
2 поток Е1(1 - А2)(1 - 2,1А1). В свою очередь, тело 2 поглощает лучистый поток Е1(1 - А2)(1 - 2.1А1)А2 и отражает поток Е1(1 - А2)2(1 - 2.1А1).
Из этого количества энергии тело 1 поглощает Е1(1 - А2)2(1 - 2,1А1)2,1А1
и отражает Е1(1 - А2)2(1 - 2,1А1)2 и т. д. до бесконечности.
Анализ процесса излучения тела 2 на тело 1 может быть проведен
аналогичным образом.
Если принять (1 - А2)(1 - 2.1А1) = Р, то лучистый поток, поглощаемый телом 2 при излучении только тела 1, будет
Q12  F1 E1 A2  E1 PA2  E1 P 2 A2    F1 E1 A2 1  P  P 2   (17)




После отображения на экране схемы экспериментальной установки с указанием рабочих процессов и измерительных устройств на
пульте установки включается тумблер питания и можно приступать к
исследованию рабочего процесса. Регулятором устанавливается заданный нагрев рабочего участка. Регистрация показаний производится по
индикаторному прибору, показания которого дублируется на мониторе.
Результаты экспериментов заносятся в протокол эксперимента
(табл. 3).
По окончанию проведения опытов избранного варианта производится перевод всех регулирующих органов в исходное положение.
Для другого варианта необходимые действия повторяются вновь в той
же последовательности.
Внешний вид всей установки показан на рис. 11.
Так как Р  1, то сумма бесконечно убывающей прогрессии
1 P  P2  
1
.
1 P
(18)
Тогда
E12  F1 
E1 A1
.
1 P
(19)
Лучистый поток, поглощаемый телом 1 при излучении телом 2,
E 21  F2 
E 2 2,1 A1
1 P
.
(20)
Результирующий поток в системе двух серых концентрических
сфер согласно (16) будет
E1, 2  F1 
Умножая на
E 2 2,1 A1
E1 A1
.
 F2
1 P
1 P
A1 A2
правую часть равенства и учитывая (11), и заA1 A2
меняя Р выражением (18) , получаем
E1, 2  F1
10
4
 T1  4
F2  T2  
 C 0 
   2,1

  . (21)
1
F1  100  
 100 

A1   2,1  1

A

1
2


1
Рис. 11. Внешний вид установки.
19
Добавление строки в список можно осуществить только при
наличии исправной аппаратуры (см. Редактирование - Внести в список).
Удаление анализируемой строки из списка можно осуществить
в любое время (см. Редактирование-Удалить из списка).
Предположим, что Т1 = Т2, тогда результирующий поток E1, 2 =
0, а так как  = А (12), получим, что средний угловой коэффициент
излучения зависит от геометрических характеристик излучающей системы:
 2,1 
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ
После включения установки в электрическую сеть игольчатым
краном … открывается подача охлаждающей воды, автоматически
обеспечивающая на всех режимах эксперимента одно и то же значение
Т2 и t2  1 1,5 0C.
Далее запускается рабочая программа эксперимента и на мониторе … высвечивается тема лабораторной работы и Вы вступаете в диалог с ЭВМ, в которой заложены все возможные варианты проведения
экспериментов.
Исследованию на стационарных режимах подлежат идентичные
по методике и расчету варианты:
а) вольфрамовый рабочий участок при различных температурах
излучения;
б) медные рабочие участки с различными характеристиками качества излучающих поверхностей на одном температурном режиме (см.
Установки).
Данные по рабочим участкам приведены в табл. 2.
Свойства рабочих участков.
Таблица 2.
Площадь
Вари- Материал Температура
плавления
ант
и форма
Тпл
А
Б
18
Вольфрамовая проволока
(чистота
99,91%)
Медная
проволока
Длина
участка
Поперечного Поверхности
L
излучения
сечения
К
М
3660  60
0,210-3
м
мм2
м2
3,1410-2
12,5610-5
3,14
1,25610-3
0,2
135  3
210-3
F1
.
F2
(22)
После подстановки (22) в (21) формула результирующего лучистого потока примет вид
где
 T1  4  T2  4 
(23)
E1, 2  F1 A1C0 
 
 ,
 100   100  
1
A0 
- приведенный коэффициент поглощения

1 F1  1


 1
A F2  A2

системы тел 1- 2.
Так как для серых тел степень черноты  = А = С/С0 (10, 12), то
 T1  4  T2  4 
(24)
E1, 2  F1C n 
 
 ,
 100   100  
1
где C n 
- приведенный коэффициент излучения
1 F1  1
1 

 

C1 F2  C 2 C0 
системы тел 1-2, Вт/(м2К4), С1 и С2 – соответственно коэффициенты
излучения.
Формулы (23) и (24) применимы для произвольных невогнутых тел
с оболочкой а также для случая, когда выпуклое тело 1 и вогнутое тело
2 образуют замкнутое пространство. В этих случаях угловой коэффициент излучения 2,1 имеет смысл среднего углового коэффициента.
Выражения (23), (24) можно использовать для расчета других систем – двух параллельных поверхностей (F1 = F2 = F), у которых высота
и длина несопоставимо велики по сравнению с расстоянием между ними.
11
Для участков, удаленных от торцов, где доля потерь лучистой
энергии ничтожна, а этом случае 1,2 = 2,1 = 1 и выражения (23 и 24)
18
11
примут вид
 T   T 
E1, 2  FAn C0  1    2 
 100   100 
1
где An 
;
Cn
1
1

1
A1 A2
4

 T   T  
  FCn  1    2   ,

 100   100  
1
.

1
1
1


C1 C 2 C0
4
4
4
(25)
Кроме того, имеются еще несколько пиктограмм.
Справка - получение этой справки;
Применив формулу (24) к центральному, только выпуклому цилиндрическому телу 1 с оболочкой 2, когда F1  F2, будем считать,
что 2,1 , тогда Сп  С1, откуда получим
C1 
Q1, 2
 T1  4  T2  4 
F 
 
 
 100   100  
.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Внешний вид основного элемента экспериментальной установки для определения коэффициента излучения электропроводящего материала в зависимости от температуры и характеристик поверхностей
показан на рис. 5.
12
Авторы - информация об авторах программы ММТП-011М;
Выход - завершение работы с программой.
(26)
Приведенное выражение (26) легло в основу экспериментального
определения коэффициента С1 излучающей поверхности электропроводящего материала центрального тела 1.
Рис. 5. Внешний вид основного элемента экспериментальной
установки.
параметров в соответствии их положением в таблице слева направо;
Удалить из списка - удаляет из списка измеренных значений
выделенное измерение (выделение осуществляется щелчком левой кнопки "мыши" в области выделяемой линии таблицы).
ОКНО СПИСКА СОХРАНЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ
В любой момент времени все текущие параметры измерения
могут быть сохранены в списке для последующего просмотра, анализа
и обработки. Окно списка сохраненных значений предназначено для
отображения всех наборов параметров, которые Вы решили использовать для последующего анализа.
Приблизительный внешний вид окна списка представлен на рисунке:
Рис. 10. Окно списка сохраненных значений.
Где: U - напряжение на рабочем участке исследуемого материала; I - ток через рабочий участок исследуемого материала; Tвх- температура на входе; Tвых- температура на выходе.
Точки, в которых производятся измерения соответствующих
параметров, отображены на условном изображении окна измерений.
Единицы измерений приведены в заголовках столбцов вместе с
самими параметрами.
Контрастным цветом на рисунке выделена строка, соответствующая измерению, которое в данный момент анализируется.
Выбор анализируемой диаграммы осуществляется путем подведения
курсора и нажатием левой кнопки "мыши" на нужной строке таблицы.
17
няемом действии. Панель инструментов условно разделена на несколько групп:
Работа с файлами.
-Новый - создание нового документа (т. е. пустого списка измеренных значений) для последующего заполнения согласно заданию;
-Открыть - открытие файла ранее сохраненного документа для
последующего анализа, печати и т. д.;
Сохранить как... - сохранение документа (т. е. списка измеренных значений) в файл с явным указанием имени.
Предварительный просмотр и печать.
Печатать - вывод результатов измерений на принтер;
Перед началом работы все регулировочные вентили пульта
управления должны быть полностью закрыты (переведены в крайнее
против часовой стрелки положение), и все тумблеры питания должны
быть выключены. Все дальнейшие действия производятся в соответствии с порядком проведения опытов
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Запуск оборудования.
Выполняемым файлом данной лабораторной работы является
MMTП-011M.EXE. После его запуска сначала производится поиск и
тестирование необходимого оборудования и, в случае его отсутствия
или несоответствия данной работе, выдается сообщение об ошибке аппаратуры как показано на рис. 6.
Установки печати - настройка различных параметров печати
(бумага, ориентация и т.д.);
Предварительный просмотр печати - просмотр на экране,
как будет выглядеть напечатанный документ. В окне Предварительный просмотр нажмите кнопку Закрыть, чтобы вернуться в документ.
Установки.
Установки - Выбирается тип материала. При нажатии на
пиктограмму Вам будет предложено выбрать один из 6-и
предусмотренных вариантов:
1. Вольфрам;
2. Графит;
3. Медь;
4. Хром;
5. Нихром;
6. Молибден.
Редактирование.
Внести в список - добавляет в список измеренных значений все текущие параметры. При этом осуществляется сортировка по воз растанию
16
Рис. 6. Сообщение об ошибке.
В этом случае Вы должны закрыть данное окно и можете продолжать работу только в режиме анализа, предварительно открыв (если таковые имеются) ранее измеренные значения. Измерения в данном
случае становится невозможными.
В любом случае (т. е. была ошибка оборудования или нет), перед
Вами появится информационное окно, как показано на рис. 7.
Рис. 7. Информациооное окно.
13
Это окно закроется автоматически через 10 секунд, если Вы
раньше не нажмете любую клавишу или любую кнопку мыши. Это же
окно можно отобразить в любое время нажатием на пиктограмму Авторы панели инструментов.
Основное окно программы.
Приблизительный вид основного окна программы ММТП-011М
показан на рис. 8.
3. Область панели инструментов (Toolbar). В данной программе, с
целью упрощения управления, визуально отсутствует "меню".
Все управление осуществляется путем нажатия левой кнопки
"мыши" на соответствующую пиктограмму панели инструментов. "Всплывающие" подсказки, появляющиеся при помещении
курсора "мыши" в область соответствующей пиктограммы,
вкратце объясняют то, что произойдет при нажатии на пиктограмму.
Окно измерений.
Область отображения измеренных значений представлена на
рисунке в виде условного графического изображения установки.
Рис. 9. Окно измерений.
Все параметры измерений, их названия, местоположение датчиков и единицы измерения очевидны из рисунка.
Рис. 8. Основное окно программы.
Как видно из рис. 8, окно программы разбито на несколько областей
отображения:
1. Область отображения измеренных значений.
2. Область списка сохраненных значений. Любая точка измерения
может быть сохранена в списке для последующего просмотра,
анализа и обработки.
14
ПАНЕЛЬ ИНСТРУМЕНТОВ
Вся работа с программой осуществляется с помощью
панели инструментов, находящейся в нижней части
окна программы, нажатием левой кнопки "мыши" в области соответствующей
пиктограммы. При движении курсора "мыши" внутри областей пиктограмм
появляется короткая подсказка о выпол
15
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
К а ф е д р а «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ ПРИ ИМИТАЦИОННОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА
Определение коэффициента излучения электропродящих материалов калориметрическим методом при имитационном моделировании процесса теплообмена:
Метод. указ/ Сост. Г.М.Синяев. Самара; Самар.гос. тех. Ун-т, 2008. 25 с.: ил.
Методические указания предназначены для студентов теплоэнергетических специальностей 140101, 140104,140105,140106 и других специальностей при выполнении
ими экспериментальных исследований на имитационных компьютерных моделях лабораторных установок по дисциплинам «Теоретические основы теплотехники», «Тепломассообмен», «Теоретические основы тепломассопереноса», «Теплотехника» и другим
дисциплинам, в которых изучается теплообмен.
УДК 536.24.(07).
Методические указания к компьютерной
лабораторной работе № 011МТП
Составитель: Г.М.Синяев
Рецензент докт. тех. наук, проф. А.А. Кудинов
Самара
Самарский государственный технический университет
2008
© Г.М.Синяев
составление, 2008
© Самарский государственный технический университет, 2008
Печатается по решению Редакционно-издательского совета СамГТУ
УДК 536.24.(07).
14
15
Определение коэффициента излучения электропродящих материалов калориметрическим методом при имитационном моделировании процесса теплообмена
Составитель: Синяев Геннадий Михайлович
Редактор В. Ф. Е л и с е е в а
Технический редактор В.Ф. Е л и с е е в а
Подп. в печать 07.06.08. Формат 60х84 1/16. Бум. офсетная. Печать офсетная.
Усл. п. л. 1,18. Усл. кр.-отт. Уч-изд. л. 1,17. Тираж 50. Рег №130.
Самарский государственный технический университет
443100. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Главный корпус
Отпечатано в типографии
Самарского государственного технического университета
443100. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Корпус № 8
14
15