Лабораторная работа № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Лабораторная работа № 5
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ТВЕРДОГО ТЕЛА
Задание
1. Определить степень черноты поверхности твердого тела.
2. Рассчитать длину волны излучения, соответствующую максимуму
спектральной излучательности.
3. Построить график зависимости спектральной излучательности тела от
длины волны.
Лабораторная установка
Исследуемое тело представляет собой трубу (вертикальную или
горизонтальную), внутри которой вдоль ее оси установлен нагреватель (рис.
1). Полный тепловой поток Q в условиях стационарного режима без учета
тепловых потерь с торцевых поверхностей трубы равен электрической
мощности нагревателя, которая измеряется ваттметром W
и заносится в
журнал наблюдений (табл. 1).
t комн
Рис. 1. Схема установки
Для измерения температур на наружной поверхности трубы укреплены
дифференциальные термопары 1-6. Общий холодный спай термопар
соединен с массивной металлической пластиной, имеющей комнатную
температуру.
С
помощью
переключателя
термопары
поочередно
подключаются к регистрирующему прибору - милливольтметру mV.
Методика выполнения работы
Экспериментальное определение степени черноты
Выполнение
работы
начинается
с
установления
стационарного
температурного поля испытуемого тела, что должно быть подтверждено
графически в отчете по лабораторной работе. Результаты измерения
температур в процессе установления заносятся в журнал наблюдений.
В основу методики определения степени черноты тела положена
формула лучистого
теплового
потока между двумя телами,
одно из
которых находится в объеме, ограниченном поверхностью другого:
 T  4  T  4 
Qл   пр с0 F  1    2   ,
 100   100  
(1)
где с0 = 5,67 Вт/(м2К 4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела;
F - площадь поверхности излучения испытуемого тела, м2 ;
Т1 - температура поверхности испытуемого тела, К ;
Т2 - температура окружающих тел, которую можно принять равной
температуре воздуха в лаборатории, К;
пр - приведенная степень черноты, которая в условиях эксперимента
равна степени черноты испытуемого тела, так как площадь его
поверхности много меньше площади поверхности окружающих тел.
Таблица 1
Температура воздуха
Мощность нагревателя
t2 , 0 С
W , Вт
Размеры трубы, мм
диаметр
длина
Время,
Показания термопар, мВ
мин.
1
2
3
4
Ср.темпер.
5
6
t1 , 0 С
0
5
10
…
В
условиях
сложного
радиационно-конвективного
теплообмена
лучистый тепловой поток Qл определяется как разность между полным Q
и конвективным
Qк
тепловыми
потоками
от испытуемого тела в
окружающую среду:
Qл  Q  Qк ,
(2)
где Q = W в условиях стационарного режима.
Величину конвективного теплового потока можно определить по
формуле Ньютона:
Qк   F t1  t 2  ,
где
(3)
t1, t2 - температуры поверхности тела и окружающей среды, оС;
 - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К).
Средний коэффициент
теплоотдачи
рассчитывается с помощью
уравнений подобия. Для горизонтально расположенной трубы в условиях
свободной конвекции окружающей среды в диапазоне значений 510 2  Grж
Prж  210
7
критериальное уравнение теплоотдачи имеет вид
Nu ж  0,5  Grж  Prж 0,25 ,
где Nuж, Grж, Prж - критерии Нуссельта, Грасгофа и Прандтля, при
определении которых в качестве характерного размера выбирается наружный
диаметр трубы, а за определяющую температуру принимается температура
окружающей среды.
Для вертикальных труб за характерный геометрический размер
принимается высота трубы, а вид критериального уравнения определяется
интенсивностью свободного движения :
(10 3  Grж Prж  10 9)
- ламинарный режим
Nu ж  0,76  Grж  Prж 0,25 ;
- турбулентный режим (Grж Prж  10 9)
Nu ж  0,15  Grж  Prж 0,33 .
После того, как из выбранного уравнения подобия найден коэффициент
теплоотдачи, по формуле (3) определяется конвективный тепловой поток, из
выражения (2) - лучистый поток, и, в конечном итоге, из уравнения (1)
степень черноты тела.
Расчет длины волны излучения, соответствующей максимуму
спектралной излучательности
По
измеренной
температуре
соответствующая максимуму
поверхности
тела
длина
волны,
спектральной излучательности, может быть
найдена из закона Вина:
 max T  b ,
где
b = 0,0029 К м - постоянная Вина.
Построение спектра излучения
Спектральная
плотность
потока излучения в зависимости от
температуры и длины волны излучения определяется законом Планка:
c15
E  
c2
e
T
,
1
где с 1 = 3,7410 - 16 Вт м2 и с 2 = 1,4410 - 2 м К - постоянные излучения.
Построить график зависимости Е от длины волны для диапазона
0,8   50 мкм, считая степень черноты испытуемого тела не зависящей
от длины волны (серое тело). Указать на графике значение Е ,
соответствующее длине волны max максимума спектра излучения при
данной температуре.
Дополнительные задания
1.
Найти
температуру абсолютно черного тела,
интегральный поток
излучения которого равен потоку излучения испытуемого тела.
2.
Найти поток излучения абсолютно черного тела, температура которого
равна температуре испытуемого тела.
3.
Для испытуемого тела найти коэффициент теплоотдачи излучением и
эффективный коэффициент теплоотдачи.
4.
Найти
коэффициенты
поглощения
и
отражения
исследуемой
поверхности.
5.
Определить величину Qл для случая, когда испытуемое тело помещено в
цилиндрический кожух внутренним диаметром
50 мм. При этом
считать, что конвективная составляющая теплового потока остается
неизменной, а степень черноты поверхности кожуха такая же, как у
испытуемого тела.
6.
Как будет выглядеть на графике спектр излучения абсолютно черного
тела при той же температуре?