ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

Дисциплина «Теплотехника»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

«Исследование теплового излучения нагретых тел»

Выполнил: студент ФЗиДО

Проверил: Казакова Е. Г.

 

 

Сыктывкар 2015

 

Цель работы: изучение процессов теплообмена излучением.

Задачи работы

1. Изучение теплообмена излучением и экспериментального определения постоянной Стефана — Больцмана.

2. Экспериментальное определение степени черноты излучающих поверхностей различных тел.

3. Экспериментальное исследование эффективности устройств и средств защиты от инфракрасного излучения.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Устройство для изучения теплового излучения (рис. 5.1 и 5.2) представляет собой три тепловые мишени (1—3) диаметром 160 мм с электронагревателями, последовательно включенными в электрическую цепь. Нагреватели имеют одну и ту же мощность, одинаковым образом расположены на лицевой панели установки. Они отличаются друга; лишь состоянием излучающей поверхности. Первая мишень имеет черную закрашенную поверхность, вторая — закрашенную белую, третья — полированную металлическую.

В центре каждой мишени с внутренней стороны нагревателя в него зачеканены хромель-копелевые термопары (4)—(6). Электрические сигналы с этих термопар подаются на цифровые измерители температуры (7) и далее в виде цифрового кода в компьютер. Одновременно температуры наружных сторон мишеней поочередно контролируются с помощью инфракрасного термометра с лазерным указателем участка излучающей поверхности (8). ИК-термометр закрепляется на платформе с помощью специальной струбцины перемещающейся по горизонтальной направляющей (9), таким образом, что центры всех трех мишеней оказываются на линии перемещения лазерного пятна.

 

 

Рис. 5.1 — Схема экспериментальной установки:

1 — мишень, окрашенная в черный цвет; 2 — измеритель температуры

мишеней; 3 — мишень, окрашенная в белый цвет; 4 — беспроводной

инфракрасный пирометр (отсутствует); 5 — измеритель температур мишеней;

6 — мишень с полированной поверхностью; 7 — автотрансформатор (ЛАТР)

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Ознакомиться с устройством лабораторной установки и принципом работы инфракрасного цифрового пирометра.

2. Включить нагреватели ВК1.

3. Определить и зафиксировать в табл. 5.1 температуру окружающей среды Т₀.

4. Выставить напряжение ЛАТРом 7 в пределах 5—50 В.

5. По истечении 10 мин произвести измерения температур поверхностей мишеней.

6. Занести значения температур, измеренных термопарами и пирометром и в табл. 5.1.

7. Объяснить, почему при равных сопротивлениях нагревателей и последовательном их соединении в электрической цепи, а следовательно, и равенств выделяющейся на них энергии, температуры мишеней различны?

8. Объяснить незначительный разброс температур, измеренных термопарами, и существенное различие показаний пирометра для отдельных мишеней?

9. Сравнить показания термопары Т_терм и показаний ИК-термометра Т_ик.

10. Увеличить напряжение и повторить пп. 6—11 для новых режимов.

 

 

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Электрическая мощность, выделяемая на каждом нагревателе, Q, Вт определяется

 

, (5.1)

 

где I — сила тока, А (определяется по табл. 5.2); U — напряжение питания нагревателей, В.

2. Обработать полученные данные по всем мишеням и определить степень черноты ε_i для каждой при разных температурах их поверхностей по формулам (температура в К):

 

, , , (5.2)

 

где Т_терм.Ч, Т_терм.Б, Т_терм.П — температуры черной, белой или полированной поверхностей соответственно, измеренные термопарой, К; Т_ик.Ч, Т_ик.Б, Т_ик.П — температуры черной, белой или полированной поверхностей, соответственно, измеренные ИК-пирометром, К; T₀ — температура окружающей среды, К.

3. Сравнить полученные результаты со справочными значениями.

4. Построить график зависимости степени черноты исследованных поверхностей от температуры мишеней ε = f(Т).

5. Обработать данные по всем мишеням и определить величину С₀ из уравнения Стефана — Больцмана:

 

, (5.3)

 

где e— степень черноты поверхности тела; С₀ — коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м² · К⁴); F — площадь поверхности каждой мишени, м² (диаметр каждой мишени 160 мм).

6. Все измеренные и рассчитанные величины занести в табл. 5.1.

7. Ответить на контрольные вопросы и сделать вывод по работе.

 

 

Таблица 5.1

Результаты измерения температуры излучающих поверхностей и вычислений

№ опыта	Напряжение питания нагревателей, U, В	Электрическая мощность, выделяемая на каждом нагревателе, Q, Вт	Значения температур, измеренные	Рассчитанные величины
термопарой, Ттерм, К	пирометром, Тик, К	Приведенный коэффициент излучения, С0, Вт/(м2 · К4)	Степень черноты поверхностей, ε
Мишень черного цвета
Мишень белого цвета
Мишень с полированной поверхностью

 

 

Таблица 5.2

Зависимость силы тока от напряжения

№ п/п	Напряжение, U, В	Сила тока, I, А
		0,1280
		0,0256
		0,0384
		0,0512
		0,0640
		0,0812
		0,0984
		0,1160
		0,1330
		0,1500

 

Вывод:

 

 

 

Контрольные вопросы

1. Как соотносятся между собой скорости распространения тепла при передаче его теплопроводностью, свободной или вынужденной конвекцией и тепловым излучением?

2. Что представляют собой модели абсолютного черного, абсолютно белого и серого тел, используемые в расчете лучистого теплообмена?

3. Какие из тел могут считаться абсолютно прозрачными, диатермическими средами?

4. Какие способы защиты от теплового излучения может предложить современная техника?

5. Что представляет собой экранно-вакуумная изоляция и чем объясняется ее эффективность?

6. Какие сложности в расчетах комбинированного теплообмена влечет нелинейная зависимость интенсивности излучения от температуры нагретой поверхности?

7. Может ли в этом случае в полной мере использоваться модели геометрически подобных разномасштабных тел для экспериментального определения характеристик теплообмена?