Cilj rada

Upoznavanje s metodologijom izvođenja pokusa za određivanje stupnja zacrnjenosti površine tijela.

Razvoj vještina eksperimentiranja.

Vježbajte

Odredite stupanj emisivnosti ε i emisivnost s površina 2 različita materijala (obojeni bakar i polirani čelik).

Utvrditi ovisnost promjene stupnja emisivnosti o temperaturi površine.

Usporedite vrijednosti crnine obojenog bakra i poliranog čelika.

Teorijski uvod

Toplinsko zračenje je proces prijenosa toplinske energije putem elektromagnetskih valova. Količina topline prenesena zračenjem ovisi o svojstvima tijela koje zrači i njegovoj temperaturi i ne ovisi o temperaturi okolnih tijela.

Općenito, toplinski tok koji pada na tijelo djelomično se apsorbira, djelomično reflektira, a djelomično prolazi kroz tijelo (slika 1.1).

Riža. 1.1. Dijagram raspodjele energije zračenja

(2)

Gdje - toplinski tok koji pada na tijelo,

- količinu topline koju tijelo apsorbira,

- količinu topline koju reflektira tijelo,

- količina topline koja prolazi kroz tijelo.

Desni i lijevi dio dijelimo prema protoku topline:

Količine
nazivaju se redom: apsorpcija, refleksija i transmisija tijela.

Ako
, To
, tj. apsorbira se cjelokupni toplinski tok koji pada na tijelo. Takvo tijelo se zove apsolutno crno .

Tijela koja
,
oni. cjelokupni toplinski tok koji pada na tijelo reflektira se od njega, tzv bijela . Štoviše, ako se refleksija od površine pokorava zakonima optike, tijelo se naziva zrcaliti – ako je refleksija difuzna – apsolutno bijela .

Tijela koja
,
oni. cjelokupni toplinski tok koji pada na tijelo prolazi kroz njega naziva se dijatermički ili potpuno proziran .

Apsolutna tijela ne postoje u prirodi, ali je koncept takvih tijela vrlo koristan, posebno kada je riječ o apsolutno crnom tijelu, budući da su zakoni koji upravljaju njegovim zračenjem posebno jednostavni, jer se zračenje ne odbija od njegove površine.

Osim toga, koncept apsolutno crnog tijela omogućuje dokazati da u prirodi ne postoje tijela koja emitiraju više topline od crnih.

Na primjer, u skladu s Kirchhoffovim zakonom, omjer emisivnosti tijela i njegovu sposobnost apsorpcije je ista za sva tijela i ovisi samo o temperaturi, za sva tijela, uključujući apsolutno crna, na danoj temperaturi:

(3)

Budući da je apsorpcijska sposobnost potpuno crnog tijela
A I itd. uvijek manji od 1, tada iz Kirchhoffovog zakona slijedi da je maksimalna emisivnost ima potpuno crno tijelo. Kako u prirodi nema apsolutno crnih tijela, uvodi se pojam sivog tijela, njegov stupanj crnila ε, koji je omjer emisivnosti sivog i apsolutno crnog tijela:

Slijedeći Kirchhoffov zakon i uzimajući u obzir da
može se zapisati
gdje
oni . stupanj crnila karakterizira i relativnu emisivnost i apsorpcijsku sposobnost tijela . Osnovni zakon zračenja, koji odražava ovisnost o intenzitetu zračenja
vezan za ovaj raspon valnih duljina (monokromatsko zračenje) je Planckov zakon.

(4)

Gdje - valna duljina, [m];

;

I su prva i druga Planckova konstanta.

Na sl. 1.2 ova je jednadžba prikazana grafički.

Riža. 1.2. Grafički prikaz Planckovog zakona

Kao što se može vidjeti iz grafikona, potpuno crno tijelo emitira zračenje na bilo kojoj temperaturi u širokom rasponu valnih duljina. S porastom temperature maksimalni intenzitet zračenja pomiče se prema kraćim valovima. Ova pojava je opisana Wienovim zakonom:

Gdje
- valna duljina koja odgovara maksimalnom intenzitetu zračenja.

S vrijednostima
Umjesto Planckovog zakona, može se primijeniti Rayleigh-Jeansov zakon, koji se naziva i “zakon dugovalnog zračenja”:

(6)

Intenzitet zračenja vezan za cijeli raspon valnih duljina od
prije
(integralno zračenje), može se odrediti iz Planckovog zakona integracijom:

gdje je emisivnost crnog tijela. Izraz se naziva Stefan-Boltzmannov zakon, koji je uspostavio Boltzmann. Za siva tijela, Stefan-Boltzmannov zakon je zapisan kao:

(8)

- emisivnost sivog tijela. Prijenos topline zračenjem između dvije površine određuje se na temelju Stefan-Boltzmannova zakona i ima oblik:

(9)

Ako
, tada smanjeni stupanj emisivnosti postaje jednak stupnju emisivnosti površine , tj.
. Ova okolnost čini temelj metode za određivanje emisivnosti i stupnja crnila sivih tijela beznačajnih dimenzija u usporedbi s tijelima koja međusobno izmjenjuju energiju zračenja

(10)

(11)

Kao što se vidi iz formule, određivanje stupnja emisivnosti i emisivnosti S sivo tijelo mora znati površinsku temperaturu tijelo koje se testira, temperatura okoliš i toplinski tok zračenja s površine tijela
. Temperature I mogu se mjeriti poznatim metodama. A toplinski tok zračenja određuje se iz sljedećih razmatranja.

Toplina se širi s površine tijela u okolni prostor zračenjem i prijenosom topline pri slobodnoj konvekciji. Puni protok od površine tijela bit će stoga jednaka:

, gdje
;

- konvektivna komponenta toplinskog toka, koja se može odrediti prema Newton-Richmannovom zakonu:

(12)

Zauzvrat, koeficijent prijenosa topline može se odrediti iz izraza:

(13)

Definirajuća temperatura u ovim izrazima je temperatura graničnog sloja:

Riža. 2 Shema eksperimentalne postavke

Legenda:

B – prekidač;

P1, P2 – regulatori napona;

PW1, PW2 – mjerači snage (vatmetri);

NE1, NE2 – grijaći elementi;

IT1, IT2 – mjerači temperature;

T1, T2 itd. – termoparovi.

Proučavanje toplinskog zračenja. određivanje stupnja crnila volframove žarulje sa žarnom niti

3.1 Toplinsko zračenje i njegove karakteristike

Tijela zagrijana na dovoljno visoke temperature sposobna su emitirati elektromagnetske valove. Sjaj tijela povezan s zagrijavanjem naziva se toplinsko zračenje. Ovo zračenje je najčešće u prirodi. Toplinsko zračenje može biti ravnotežno, tj. može biti u stanju termodinamičke ravnoteže s tvari u zatvorenom (toplinski izoliranom) sustavu. Kvantitativna spektralna karakteristika toplinskog zračenja je spektralna gustoća luminoznosti energije (emisivnost):

gdje je spektralna gustoća luminoznosti energije; - energija elektromagnetskog zračenja emitirana u jedinici vremena s jedinice površine tijela u rasponu valnih duljina od do ;

Karakteristika ukupne snage toplinskog zračenja po jedinici površine tijela u cijelom rasponu valnih duljina od do je energetski luminozitet (integrirani energetski luminozitet):

3.2. Planckova formula i zakoni Toplinsko zračenje crnog tijela

Stephan-Boltzmannov zakon

Godine 1900. Planck je iznio hipotezu prema kojoj atomski oscilatori ne emitiraju energiju kontinuirano, već u dijelovima-kvantima. U skladu s Planckovom hipotezom određena je spektralna gustoća luminoziteta energije sljedeću formulu:

. (3)

Iz Planckove formule možemo dobiti izraz za energetski luminozitet. Zamijenimo vrijednost spektralne gustoće energetskog luminoziteta tijela iz formule (3) u izraz (2):

(4)

Da bismo izračunali integral (4), uvodimo novu varijablu. Odavde ; . Formula (4) se tada transformira u oblik:

Jer , tada će izraz (5) za energetski luminozitet imati sljedeći oblik:

. (6)

Relacija (6) je Stefan-Boltzmannov zakon, gdje je Stefan-Boltzmannova konstanta W/(m 2 K 4).

Ovo nam daje definiciju Stefan-Boltzmannovog zakona:

Energetski sjaj potpuno crnog tijela izravno je proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature.

U teoriji toplinskog zračenja, uz model crnog tijela, često se koristi koncept sivog tijela. Tijelo se naziva sivim ako mu je koeficijent apsorpcije isti za sve valne duljine i ovisi samo o temperaturi i stanju površine. Za sivo tijelo Stefan-Boltzmannov zakon ima oblik:

gdje je emisivnost toplinskog emitera (faktor emisivnosti).

· prvi zakon vina (Wineov zakon istiskivanja)

Ispitajmo relaciju (3) za ekstrem. Da bismo to učinili, odredimo prvu derivaciju spektralne gustoće u odnosu na valnu duljinu i izjednačimo je s nulom.

. (8)

Uvedimo varijablu. Tada iz jednadžbe (8) dobivamo:

. (9)

U općem slučaju transcendentna jednadžba (9) rješava se metodom uzastopnih aproksimacija. Budući da se za realne temperature može pronaći jednostavnije rješenje jednadžbe (9). Zaista, pod ovim uvjetom, relacija (9) se pojednostavljuje i poprima oblik:

koji ima rješenje na . Stoga

Točnije rješenje jednadžbe (9) metodom uzastopnih aproksimacija dovodi do sljedeće ovisnosti:

, (10)

Gdje mK.

Iz relacije (10) slijedi definicija prvog Wienovog zakona (Wienov zakon pomaka).

Valna duljina koja odgovara najvećoj spektralnoj gustoći energetskog luminoziteta obrnuto je proporcionalna tjelesnoj temperaturi.

Veličina se naziva konstanta Wienovog zakona pomaka.

· drugi zakon vina

Zamijenimo vrijednost iz jednadžbe (10) u izraz za spektralnu gustoću luminoznosti energije (3). Tada dobivamo maksimalnu spektralnu gustoću:

, (11)

Gdje W/m 2 K 5.

Iz relacije (11) slijedi definicija drugog Wienovog zakona.

Najveća spektralna gustoća energetskog luminoziteta apsolutno crnog tijela izravno je proporcionalna petoj potenciji apsolutne temperature.

Veličina se naziva konstanta drugog Wienovog zakona.

Na slici 1 prikazana je ovisnost spektralne gustoće energetskog luminoziteta o valnoj duljini za određeno tijelo na dva različite temperature. S povećanjem temperature, površina ispod krivulja spektralne gustoće trebala bi se povećavati proporcionalno četvrtoj potenciji temperature u skladu sa Stefan-Boltzmannovim zakonom, valna duljina koja odgovara maksimalnoj spektralnoj gustoći trebala bi se smanjivati ​​obrnuto proporcionalno temperaturi prema Wienovom zakonu pomaka, a maksimalna vrijednost spektralne gustoće trebala bi se povećati izravno proporcionalno petoj potenciji apsolutne temperature u skladu s drugim Wienovim zakonom.

Slika 1

4. UREĐAJI I PRIBOR. OPIS INSTALACIJE

U ovom radu kao emitirajuće tijelo korištena je žarna nit električnih žarulja različitih snaga (25, 60, 75 i 100 W). Za određivanje temperature žarne niti električnih žarulja uzima se strujno-naponska karakteristika iz koje se određuje vrijednost statičkog otpora () žarne niti i izračunava njegova temperatura. Slika 2 prikazuje tipičnu strujno-naponsku karakteristiku žarulje sa žarnom niti. Može se vidjeti da pri malim vrijednostima struje struja linearno ovisi o primijenjenom naponu i odgovarajuća ravna linija prolazi kroz ishodište. S daljnjim povećanjem struje, žarna nit se zagrijava, otpor žarulje se povećava i opaža se odstupanje strujno-naponske karakteristike od linearne ovisnosti koja prolazi kroz ishodište koordinata. Za održavanje struje pri većem otporu potreban je viši napon. Diferencijalni otpor žarulje monotono opada, a zatim poprima gotovo konstantnu vrijednost, a strujno-naponska karakteristika u cjelini je nelinearna. Uz pretpostavku da je snaga koju troši električna svjetiljka uklonjena zračenjem, možemo odrediti koeficijent emisivnosti žarulje ili procijeniti Stefan-Boltzmannovu konstantu pomoću formule:

, (12)

gdje je područje žarulje žarulje; - stupanj crnila; - Stefan-Boltzmannova konstanta.

Iz formule (12) možete odrediti koeficijent emisivnosti žarne niti električne žarulje.

. (13)

Slika 2

Slika 3 prikazuje električni dijagram instalacije za mjerenje strujno-naponskih karakteristika žarulje, određivanje otpora žarne niti, njezine temperature i proučavanje zakona toplinskog zračenja. Tipke K 1 i K 2 namijenjene su za spajanje električnih mjernih instrumenata sa potrebnim granicama za mjerenje struje i napona.

Promjenjivi otpor je spojen na krug izmjenične struje s mrežnim naponom od 220V pomoću potenciometrijskog kruga koji osigurava glatku promjenu napona od 0 do 220V.

Određivanje temperature žarne niti temelji se na poznatoj ovisnosti otpora metala o temperaturi:

gdje je otpor žarne niti pri 0 0 C; - temperaturni koeficijent otpora volframa, 1/st.

Slika 3

Napišimo izraz (14) za sobnu temperaturu.

. (15)

Dijeleći izraz (14) s (15) član po član, dobivamo:

Odavde određujemo temperaturu filamenta:

. (17)

Dakle, znajući statički otpor žarne niti u odsutnosti struje na sobnoj temperaturi i otpor žarne niti kada teče struja, može se odrediti temperatura žarne niti. Pri izvođenju radova otpor na sobnoj temperaturi mjeri se digitalnim električnim mjernim instrumentom (testerom), a statički otpor žarne niti izračunava se prema Ohmovom zakonu.

6. POSTUPAK IZVOĐENJA POSLA

1. Odvrnite žarulju sa žarnom niti iz grla i digitalnim električnim mjeračem odredite otpor žarne niti električne žarulje koja se ispituje na sobnoj temperaturi. Zabilježite rezultate mjerenja u tablicu 1.

2. Uvrnuti žarulju u grlo, očitati strujno-naponsku karakteristiku žarulje (ovisnost struje o naponu). Izmjerite jakost struje svakih 5 mA nakon kratke ekspozicije od 2-5 minuta. Zabilježite rezultate mjerenja u tablicu 1.

3. Izračunajte pomoću formule (18) i (17) otpor i temperaturu žarne niti pri 0 C i K.

4. Izračunajte koeficijent emisivnosti žarne niti pomoću formule (13). Zabilježite rezultate izračuna u tablicu 1.

Eksperimentalni podaci za proračun koeficijenta emisivnosti

stol 1

№	ja,	V,	P,	R,	t,	T,	S,	k
	mA	U	W	Ohm	0 C	DO	m 2

5. Na temelju podataka u tablici 1. nacrtati strujno-naponsku karakteristiku žarulje, ovisnost otpora i koeficijenta emisije o temperaturi i snazi.

Zračenje krutih tijela je površinsko zračenje, dok je zračenje plinova volumetrijsko.

Prijenos topline zračenjem između dvije ravne paralelne sive površine čvrstih tijela s temperaturama T 0 1 abs i T 0 2 abs (T 1 > T 2) izračunava se formulom

Cpr - smanjena emisija;

C 1 - emisivnost površine prvog tijela;

C 2 - emisivnost površine drugog tijela;

C s = 4,9 kcal/m 2 sat deg 1 - emisivnost crnog tijela.

U praktičnim proračunima prikladnije je koristiti takozvani stupanj emisivnosti

=.

Smanjena emisivnost

U slučaju kada je prvo tijelo s površinom F 1 od svih

strane okružene površinom F 2 drugog tijela, količina prenesene topline određena je formulom

Reducirana emisivnost i smanjeni stupanj emisivnosti određuju se formulama

U slučaju kada je F 2 >F 1, tj.

C pr =C 1 i pr = 1 .

Kako bi se smanjio gubitak topline zbog zračenja, koriste se tzv. Zaslon je ploča tankih stijenki koja prekriva površinu koja zrači i nalazi se na maloj udaljenosti od potonje. Kao prva aproksimacija, konvektivni prijenos topline kroz zračni raspor između zaslona i površine koja zrači nije uzet u obzir. Također, uvijek se zanemaruje toplinski otpor stijenke samog ekrana, tj. temperature na njegovim površinama se smatraju jednakima.

Za ravne paralelne zaslone, uz zamjenu se koristi formula za prijenos topline zračenjem takozvani ekvivalentni stupanj emisivnosti

Gdje 12 ,23 itd. - određeno formulom za pr, smanjeni stupanj emisivnosti tijekom izmjene topline zračenjem između 1. i 2. površine, između 2. i 3. površine itd.

Kod oklopa cilindričnih tijela (cijevi) ekvivalentni stupanj emisivnosti

Količina predane topline Q izračunava se formulom

Zračenje plinova

Plinovi koji zrače su troatomni i višeatomni plinovi. Zračenje je od najvećeg praktičnog interesa

CO2 i H2O.

Emisija plinova je selektivna i ovisi o veličini i obliku volumena plina.

Količina topline prenesena zračenjem iz volumena plina, čije su komponente CO 2 i H 2 O, na okolnu ljusku, koja ima svojstva sivog tijela, određena je formulom

gdje je T gas apsolutna temperatura volumena plina koji zrači;

T st - apsolutna temperatura okolne ljuske;

= 0,5 (+ 1) - efektivni stupanj emisivnosti ljuske (at od 0,8 do 1,0);

=
+
- stupanj crnila plina, određen iz grafikona na sl. 85 i 86 za prosječnu temperaturu plina;

- stupanj emisivnosti plina, određen prema istim grafovima, ali prema temperaturi t st ljuske;

β-korekcija za parcijalni tlak vodene pare, određena iz grafikona na sl. 87.

Stupanj crnila ugljičnog dioksida
i vodene pare
ovisi o temperaturi volumena plina i efektivnoj debljini sloja zračenja ps, gdje je p ata parcijalni tlak komponente zračenja, a sm smanjena duljina snopa.

Smanjena duljina grede može se približno odrediti formulom

gdje je Vm 3 volumen ispunjen plinom koji zrači (volumen zračenja);

Fm 2 - površina ljuske.

Za određene posebne slučajeve smanjena duljina grede određena je sljedećim formulama:

za volumen plina u međucijevnom prostoru (s 1 - uzdužni razmak, tj. razmak između osi cijevi u nizu; s 2 - poprečni razmak, tj. razmak između redova; d - promjer cijevi)

za planparalelni plinski sloj beskonačnog opsega i debljine

s= 1,8 ;

za promjer cilindra d

Ponekad se uvodi koncept koeficijenta prolaza topline zračenjem α l kcal/m 2 sat deg. Ovaj koeficijent se određuje formulom

Primjer. Odredite količinu topline prenesenu zračenjem sa zagrijane čelične ploče, čija je površinska temperatura t 1 = 1027 ° C, na drugu sličnu ploču, čija je površinska temperatura t 2 = 27 ° C, koja se nalazi paralelno s prvom. .

Rješenje.Iz Dodatka 20 nalazimo stupanj emisivnosti čelične ploče (oksidirane):
. Određujemo zadano

stupanj emisivnosti prema formuli

Količina prenesene topline

Primjer. U prostoriji je postavljen čelični parni cjevovod promjera 300 mm, čija je temperatura vanjske stijenke t 1 = 300 ° C. Kako bi se smanjio gubitak topline, parovod je prekriven dvostrukim cilindričnim kućištem (ekran). Prvo kućište promjera 320 mm izrađeno je od tankih čeličnih limova ( = 0,82), drugo kućište promjera 340 mm izrađeno je od tankih aluminijskih limova ( = 0,055). Odrediti gubitak topline po 1 linearu. m golih i oklopljenih parnih cijevi, kao i temperaturu aluminijskog kućišta. Konvekcijski prijenos topline zanemariti. Sobna temperatura je 25°C.

Rješenje Odredimo gubitak topline golim parovodom, pretpostavivši da je površina parovoda F 1 višestruko manja od površine zidova prostorije F 4 . Na F 1<

pr = 1 = 0.80

(za oksidirani čelik).

Prema formuli

Sada odredimo gubitak topline u prisutnosti zaslona. Određujemo smanjene koeficijente emisije:

Ekvivalentna emisivnost

Količina topline prenesena zračenjem

Dakle, kao rezultat postavljanja zaslona, ​​gubitak topline smanjen je za

Da bismo odredili temperaturu aluminijskog lima, napravimo jednadžbu

Rješavajući ovu jednadžbu, nalazimo

Primjer. Termopar se koristi za mjerenje temperature vrućeg zraka koji struji kroz kanal. Između spoja termoelementa i stijenki kanala (Sl. 88) dolazi do izmjene topline zračenjem, što iskrivljuje očitanja termopara. Da bi se smanjila pogreška pri mjerenju temperature, termoelement je zatvoren zaslonskom cijevi 1. Nađite stvarnu temperaturu protoka zraka ako termoelement pokazuje temperaturu t = 200° C. Temperatura unutarnje stijenke kanala t st = 100 ° C. Stupanj emisivnosti zaslona i spoja termopara je isti i jednak 0,8. Koeficijent prijelaza topline od zraka do spoja termopara je α = 40 kcal/m 2 sat deg, a na površinu zaslona α = 10 kcal/m 2 sat deg.

Rješenje.Označimo realno

(željena) temperatura zraka t in.

Temperatura određena prema

termopar, je temperatura

her solda t.

Napravimo jednadžbu za toplinsku ravnotežu spoja termopara. Količina topline koju primi spoj zbog konvekcije jednaka je

a količina topline koju emitira zračenje s površine F spoja na površinu F zaslonske cijevi koja okružuje spoj termopara je

gdje je T e apsolutna temperatura unutarnje površine zaslonske cijevi.

S obzirom da je F e >>F, dobivamo
.

U stacionarnom načinu rada toplinska ravnoteža za spoj termopara bit će izražena jednadžbom

Sada napravimo toplinsku ravnotežu za zaslonsku cijev, zanemarujući toplinski otpor same cijevi. Dolazak topline zbog konvekcije

Dobitak topline zbog zračenja iz spoja termopara očito je jednak toplini

što je pak jednako

Potrošnja topline zbog zračenja vanjske površine zaslonske cijevi na okolne stijenke kanala

a budući da je u u ovom slučaju F st >>F e, dakle
. Dakle, toplinska ravnoteža zaslonske cijevi izražena je jednadžbom

Obično se u ovoj jednadžbi zanemaruje prvi član s lijeve strane.

dijelovi (zbog F e >>F). Zatim

Zajedničko rješavanje jednadžbi omogućuje određivanje traženog

Temperatura t in

Dobivene jednadžbe rješavamo grafički, računajući iz njih

Temperatura t u ovisno o t e. Sjecište odgovarajućih krivulja (slika 89) određuje temperaturu na:

Pogreška u određivanju temperature pomoću termoelementa

Primjer. Odredite količinu topline prenesenu zračenjem na čelične cijevi koje se nalaze u plinskom kanalu vodocijevnog parnog kotla. Parcijalni tlakovi ugljičnog dioksida u vodenoj pari u dimnim plinovima su redom p CO 2 = 0,15 ata i p H 2 O = 0,075 ata. Vanjski promjer cijevi d = 51 mm; njihovi uzdužni koraci 1 = 90 mm i poprečni koraci 2 = 70 mm. Temperatura plina

n
na ulazu u plinski kanaltt / =1000 0 C, a na izlazu iz plinovodnog kanala // =800 0 C. Vanjska temperatura

površina cijevi je konstantna

i jednak t st =230 0 C.

Rješenje. Preliminarno

odrediti prosječnu temperaturu

protok plina koji prihvaćamo

jednak projektna temperatura t plin.

Odgovarajuće efektivne debljine slojeva

Prema grafovima na Sl. 85 i 86 nalazimo

Korekcija β za parcijalni tlak vodene pare (prema sl. 87) β = 1,06.

Prema formuli

Koeficijent prijenosa topline zračenjem

Primjer. U cilindričnoj čeličnoj cijevi unutarnjeg promjera d = 0,25 m giba se mješavina plinova. Prosječna temperatura plina plin = 1100 0 C. Parcijalni tlak ugljičnog dioksida

= 0,45 ata. Temperatura stijenke tst = 300 0 C. Odredite količinu topline prenesenu zračenjem po 1 dužnom metru. m cijevi.

Rješenje: Smanjena duljina grede

S=0,9d=0,9·0,25=0,225 m.

Efektivna debljina sloja koji zrači

s
=0,225·0,45=0,101 m ata.

Prema sl. 85 određuje se pri t= 1100° C
=0,10: att= 300 0 C
= 0,095. Budući da u smjesi nema vodene pare, dakle plin = 0,10 i
= 0,095.

Prema formuli

Za 1 linearno m

Zadaci

453. Odredite količinu topline koju čelična ploča na temperaturi t 1 = 600 0 C odaje mjedenom limu iste veličine na temperaturi t 2 = 27 0 C koji se nalazi paralelno s pločom. Odredite i koeficijent prijenosa topline zračenjem.

Odgovor: q 12 = 5840 kcal/m 2 sat; α l = 10,2 kcal/m 2 sat deg.

454. Izmjena topline zračenjem događa se između dvije paralelne ravnine. Površina koja ima temperaturu t 1 =

600° C i stupanj crnila =0,64, emitira toplinu u količini

q 12 = 1000 kcal/m 2 sat. Odredite temperaturu hrapave površine aluminija koja prima toplinu ( = 0,055).

Odgovor: t 2 =390 0 C.

455. Odredite količinu topline q 12 kcal/m 2 sat koju zrači površina ravnog zida drugom paralelnom ravnom zidu. Temperature stijenki su t 1 = 227 °C i t 2 = 27 0 C. Određivanje se provodi za četiri opcije:

a) C 1 = C 2 = C s = 4,9 kcal/m 2 sat deg 4 (apsolutno crne površine);

b) C 1 = C 2 = 4,3 kcal/m 2 sat deg 4 (mat čelične površine);

c) C 1 = 4,3 kcal/m 2 sat deg 4 (mat čelična površina),

C 2 = 0,3 kcal/m 2 sat deg 4 (bijeli lim);

d) C 1 = C 2 = 0,3 kcal/m 2 sat deg 4 (bijeli lim).

Odgovor: a) q 12 =2660 kcal/m 2 sat; 6)q 12 =2080 kcal/m 2 sat;

c) q 12 = 160 kcal/m 2 sat; d)q 12 = 84 kcal/m 2 sat.

456. Čelična cijev promjera d = 200 mm i duljine 1 = 5 m nalazi se u prostoriji od opeke, širine a = 8 m i visine h = 5 m. Odredite gubitak topline zračenjem za cijevi ako je površinska temperatura cijevi t 1 = 327 °C, površinska temperatura zidova prostorije t 2 = 27 °C.

Odgovor: Q 12 =14950 kcal/sat.

457. Riješite prethodni zadatak pod uvjetom da se a) čelična cijev nalazi u hodniku od opeke presjeka 2 x 1 m i b) da se čelična cijev nalazi u kanalu od opeke presjeka 350 x 350. mm. Temperatura stijenki u oba slučaja je t 2 = 27° C. Usporedite rezultate s odgovorom prethodnog zadatka.

Odgovor: a) Q 12 =14900 kcal/sat; b) Q 12 = 14500 kcal/sat.

458. Odredite gubitak topline zbog zračenja jednom linearnom linijom. m čeličnog parovoda. Vanjski promjer parovoda je d = 0,2 m, njegova površinska temperatura t 1 = 310 0 C, a temp.

zraka okoline t 2 = 50 0 C. Rezultate rješenja usporedite s odgovorom 442. zadatka.

Odgovor: q= 2575 kcal/linearno. m sat; gubitak topline zbog zračenja je 2,36 puta veći od gubitka topline konvektivnim prijenosom topline.

459. Vrata za izgaranje od lijevanog željeza dimenzija 500 x 400 mm parnog kotla imaju temperaturu t 1 = 540 ° C ( = 0,64). Odredite količinu dozračene topline ako je temperatura u kotlovnici t 2 = 35° C. Odredite i koeficijent prolaza topline zračenjem.

Odgovor: Q = 2680 kcal/sat; α l = 2b.5 kcal/m 2 sat deg.

460. Odredite prijenos topline zračenjem između mat čeličnih paralelnih površina (vidi zadatak 455 6), ako je između njih postavljen zaslon u obliku tankog čeličnog lima iste emisivnosti.

Odgovor: q 12 = 1040 kcal/m 2 sat.

461. Riješite zadatak 460 pod uvjetom da se između čeličnih površina postavi zaslon koji se sastoji od četiri tanka čelična lima iste emisivnosti.

Odgovor: q 12 =416 kcal/m 2 sat.

462. Riješite zadatak 455 6, uz uvjet da se između čeličnih površina postavi zaslon od bijelog lima. Usporedi rezultat rješenja s odgovorom zadatka 455 6.

Odgovor: q 12 =81 kcal/m 2 sat, tj. količina prenesene topline smanjuje se približno 25 puta.

463. Riješite zadatak 455 6 uz uvjet da se između čeličnih površina nalazi zaslon koji se sastoji od dva lista bijelog lima.

Odgovor: q 12 = 41,5 kcal/m 2 sat.

464. Ložište parnog kotla ispunjeno je plamenom bakljom koja ima uvjetnu temperaturu t 1 = 1000 0 C i uvjetni stupanj emisije. = 0,3. Odredite količinu topline koja se zrači kroz otvor za vijak ložišta, zatvorenog vratima od lijevanog željeza ( = 0,78) kao i temperatura samih vrata, ako je temperatura u kotlovnici t 2 = 30 0 C (vrata od lijevanog željeza se mogu smatrati ravnim zaslonom između plamenika i okoline). Pretpostavlja se da je stupanj crnila okoline 1,0.

Odgovor: q = 25530 kcal/m 2 sat; t dv = b5b °C.

465. Riješite prethodni zadatak pod uvjetom da su vrata od lijevanog željeza opremljena reflektorom od lijevanog željeza koji se nalazi sa strane ložišta (takav reflektor se može smatrati paravanom).

Odgovor: q = 19890 kcal/m 2 sat; t dv = 580° C.

466. Riješite primjer na stranici 225 pod uvjetom da spoj termoelementa nije zaštićen zaslonskom cijevi.

Odgovor: t in =230 0 C; pogreška u određivanju temperature je 13%.

467. Riješite zadatak 458 uz uvjet da je parovod okružen zaslonom od čeličnog lima ( = 0,82). Promjer sita d e = 0,3 m. Između parovoda i čeličnog sita nalazi se zrak. Pri određivanju gubitka topline zbog zračenja ne treba uzeti u obzir konvektivnu izmjenu topline između zaslona i zraka. Odredite i temperaturu zaslona. Usporedite rezultate s odgovorom na zadatak 458. Odgovor: q= 1458 kcal/linearno. m sat; t e =199°C.

468. Riješite prethodni zadatak uzimajući u obzir konvektivnu izmjenu topline između zaslona i zraka, uzimajući koeficijent prolaza topline jednak α e = 20 kcal/m 2 sat deg. Usporedi rezultat s odgovorom zadataka 458 i 467.

Odgovor: q= 1890 kcal/linearno. m sat; t e = 126° C.

Indikacija: Prilikom rješavanja zadatka 468 potrebno je sastaviti

jednadžba bilance topline.

469. Parovod promjera d = 0,2 m (naveden u zadatku 458) prekriven je toplinskom izolacijom koja se sastoji od 5 sita od aluminijska folija (= 0,055). Razmak između slojeva folije je = 5 mm. Odredite koliko je puta gubitak topline zračenjem izoliranog parovoda manji od gubitka topline neizoliranog parovoda. Odgovor: 127 puta manje.

470. Odredite koeficijent prijelaza topline zračenjem dimnih plinova na stijenke vodogrijevnih cijevi parnog kotla. Vanjski promjer cijevi d= 44,5 mm, uzdužni razmak cijevi u nizu

s 1 = 135 mm, a poprečni korak s 2 = 90 mm. Temperatura plinova na ulazu u dimovod je t / = 900 0 C, a na izlazu t // = 700 ° C. Temperatura površine stijenki cijevi je t st = 300 ° C. Parcijalni tlakovi troatomni plinovi jednaki su:
= 0,18 ata i
= 0,08 ata.

Odgovor: α l 12,8 kcal/m 2 sat deg.

471. Riješite prethodni zadatak uz uvjet da se koraci cijevi svedu na s 1 = 81 mm i s 2 = 65 mm, a ostali početni podaci ostaju nepromijenjeni. Odgovor: α l = 8 kcal/m 2 sat deg.

472. U uskom kanalu presjeka 820 x 20 mm kreće se smjesa plinova sljedećeg sastava (volumeno): N 2 = 73%; 02 = 2%; CO2 = 15%, H20 = 10%. Prosječna temperatura plinske smjese je plin = 900° C, tlak smjese je p = 1 ata. Zidovi kanala izrađeni su od čeličnog lima. Temperatura na površini stijenki kanala t st = 100° C. Odredite količinu topline koju plinovi prenose zračenjem na stijenke kanala. Odgovor: q=4000 kcal/m 2 sat.

FEDERALNA AGENCIJA ZA OBRAZOVANJE

DRŽAVNA VISOKA OBRAZOVNA USTANOVA

STRUČNO OBRAZOVANJE

"IVANOVSK DRŽAVNO ENERGETSKO SVEUČILIŠTE

NAZVAN PO V.I. LENJIN"

Odjel teorijske osnove inženjeri grijanja

Određivanje integralnog stupnja emisivnosti čvrstog tijela

Upute za izvođenje laboratorijskih radova

Ivanovo 2006

Sastavio V.V. Bukhmirov

ONI. Sozinov

Urednik D.V. Rakutina

Smjernice su namijenjene studentima toplinskotehničkih specijalnosti 140101, 140103, 140104, 140106 i 220301 koji studiraju kolegij Prijenos topline i mase ili Toplinska tehnika.

Upute sadrže opis eksperimentalne postavke, metodologiju izvođenja eksperimenta, kao i računske formule potrebne za obradu rezultata eksperimenta.

Smjernice je odobrilo metodološko povjerenstvo TEF ciklusa.

Recenzent

Zavod za teorijske osnove toplinske tehnike, Državno energetsko sveučilište Ivanovo

1. Zadatak

1. Eksperimentalno odrediti integralni stupanj emisivnosti tanke volframove niti.

2. Usporedite rezultate pokusa s referentnim podacima.

2. Kratke informacije iz teorije prijenosa topline zračenjem

Toplinsko zračenje (izmjena topline zračenjem) je način prijenosa topline u prostoru, koji se provodi kao rezultat širenja elektromagnetskih valova, čija se energija u interakciji s materijom pretvara u toplinu. Prijenos topline zračenjem povezan je s dvostrukom transformacijom energije: u početku se unutarnja energija tijela pretvara u energiju elektromagnetskog zračenja, a zatim, nakon prijenosa energije u prostoru elektromagnetskim valovima, drugi prijelaz energije zračenja u javlja se unutarnja energija drugog tijela.

Toplinsko zračenje tvari ovisi o temperaturi tijela (stupnju zagrijavanja tvari).

Energija toplinskog zračenja koja pada na tijelo tijelo može apsorbirati, reflektirati ili prenijeti kroz njega. Tijelo koje apsorbira svu energiju zračenja koja pada na njega naziva se apsolutno crno tijelo (ABL). Imajte na umu da pri određenoj temperaturi crno tijelo emitira najveću moguću količinu energije.

Gustoća toka vlastitog zračenja tijela naziva se emisivnost. Ovaj parametar zračenja unutar područja elementarne valne duljine naziva se spektralnim prirodna gustoća toka zračenja ili spektralne emisivnosti tijela. Emisivnost crnog tijela, ovisno o temperaturi, slijedi Stefan-Boltzmannov zakon:

, (1)

gdje je  0 = 5,6710 -8 W/(m 2 K 4) – Stefan-Boltzmannova konstanta; = 5,67 W/(m 2 K 4) – emisivnost crnog tijela; T – temperatura površine apsolutno crnog tijela, K.

Apsolutno crna tijela ne postoje u prirodi. Tijelo čiji je spektar zračenja sličan spektru zračenja crnog tijela, a spektralna gustoća toka zračenja (E ) jednak je udjelu   spektralne gustoće toka zračenja crnog tijela (E 0,λ) naziva se siva tijelo:

, (2)

gdje je   spektralni stupanj emisivnosti.

Nakon integriranja izraza (2) preko cijelog spektra zračenja (
) dobivamo:

, (3)

gdje je E emisivnost sivog tijela; E 0 – emisivnost crnog tijela; – integralni stupanj crnila sivog tijela.

Iz posljednje formule (3), uzimajući u obzir Stefan-Boltzmannov zakon, slijedi izraz za izračunavanje gustoće toka intrinzičnog zračenja (emisivnosti) sivog tijela:

Gdje
– emisivnost sivog tijela, W/(m 2 K 4); T – tjelesna temperatura, K.

Vrijednost integralnog stupnja emisivnosti ovisi o fizička svojstva tijela, njegovu temperaturu i hrapavost površine tijela. Integralni stupanj emisivnosti određuje se eksperimentalno.

U laboratorijski rad integralna emisivnost volframa nalazi se proučavanjem izmjene topline zračenjem između zagrijane volframove niti (tijelo 1) i stijenki staklena boca(tijelo 2) ispunjeno vodom (sl. 1).

Riža. 1. Shema prijenosa topline zračenjem u eksperimentu:

1 – grijana nit; 2 – unutarnja površina staklene posude; 3 – voda

Rezultirajući toplinski tok koji prima stakleni cilindar može se izračunati pomoću formule:

, (6)

gdje je  pr – smanjeni stupanj emisivnosti u sustavu dvaju tijela; 1 i  2 – integralni stupnjevi emisivnosti prvog i drugog tijela; T 1 i T 2, F 1 i F 2 – apsolutne temperature i površine površina za izmjenu topline prvog i drugog tijela;  12 i  21 – kutni koeficijenti zračenja, koji pokazuju koliki udio energije hemisferskog zračenja otpada na jednu tijelo drugome.

Koristeći svojstva koeficijenata nagiba lako je to pokazati
, A
. Zamjenom vrijednosti kutnih koeficijenata u formulu (6), dobivamo

. (7)

Budući da je površina volframove niti (tijelo 1) mnogo manja od površine ljuske koja ga okružuje (tijelo 2), kutni koeficijent  21 teži nuli:

F 1 F 2
 21 =F 1 /F 2 0 odn
. (8)

Uzimajući u obzir posljednji zaključak iz formule (7), slijedi da je smanjeni stupanj emisivnosti sustava dvaju tijela prikazan na sl. 1, određuje se samo svojstvima zračenja površine navoja:

 pr  1 ili
. (9)

U ovom slučaju, formula za izračunavanje rezultirajućeg toplinskog toka koji percipira stakleni cilindar s vodom ima oblik:

iz čega slijedi izraz za određivanje integralnog stupnja emisivnosti volframove niti:

, (11)

Gdje
– površina volframove niti: dand – promjer i duljina navoja.

Emisivnost volframove niti izračunava se pomoću očigledne formule:

. (12)

Prijenos topline zračenjem između tijela u prozirnom mediju (smanjeni stupanj emisivnosti sustava, proračun prijenosa topline, metode smanjenja ili povećanja intenziteta prijenosa topline).

Zasloni

U razna područja U tehnici su česti slučajevi kada je potrebno smanjiti prijenos topline zračenjem. Na primjer, potrebno je zaštititi radnike od utjecaja toplinskih zraka u radionicama gdje postoje površine s visokim temperaturama. U drugim slučajevima, potrebno je zaštititi drvene dijelove zgrada od energije zračenja kako bi se spriječilo paljenje; Termometre treba zaštititi od energije zračenja, inače će dati netočna očitanja. Stoga se, kad god je potrebno smanjiti prijenos topline zračenjem, pribjegava postavljanju paravana. Zaslon je obično tanka metalna ploča s visokom refleksijom. Temperature obje površine zaslona mogu se smatrati istima.

Promotrimo djelovanje zaslona između dviju ravnih, bezgraničnih paralelnih površina, a zanemarit ćemo prijenos topline konvekcijom. Smatramo da su površine zidova i paravana identične. Temperature stijenke T1 i T2 održavaju se konstantnima, s T1 >T2. Pretpostavljamo da su koeficijenti emisivnosti zidova i zaslona međusobno jednaki. Tada su reducirani koeficijenti emisivnosti između površina bez zaslona, ​​između prve površine i zaslona te zaslona i druge površine međusobno jednaki.

Toplinski tok prenesen s prve površine na drugu (bez zaslona) određuje se iz jednadžbe

Toplinski tok prenesen s prve površine na zaslon nalazi se formulom

a od ekrana do druge površine prema jednadžbi

Stabilno toplinsko stanje q 1 = q 2, dakle

gdje

Zamjenom dobivene temperature zaslona u bilo koju od jednadžbi dobivamo

Uspoređujući prvu i posljednju jednadžbu, nalazimo da instaliranje jednog zaslona sa prihvaćenim uvjetima smanjuje prijenos topline zračenjem za pola:

(29-19)

Može se dokazati da ugradnja dva zaslona smanjuje prijenos topline za tri puta, ugradnja tri zaslona smanjuje prijenos topline za četiri puta, itd. Značajan učinak smanjenja prijenosa topline zračenjem postiže se korištenjem zaslona od poliranog metala, zatim

(29-20)

gdje je C "pr smanjena emisivnost između površine i zaslona;

Cpr je smanjena emisivnost između površina.

Zračenje plinova

Zračenje plinovitih tijela oštro se razlikuje od zračenja čvrstih tijela. Jednoatomni i dvoatomni plinovi imaju zanemarivu sposobnost emisivnosti i apsorpcije. Ti se plinovi smatraju prozirnima za toplinske zrake. Troatomni plinovi (CO 2 i H 2 O, itd.) i višeatomni plinovi već imaju značajnu emisivnost, a time i sposobnost apsorpcije. Na visoka temperatura zračenje troatomnih plinova nastalih pri izgaranju goriva ima veliki značaj za rad uređaja za izmjenu topline. Spektri emisije troatomnih plinova, za razliku od emisije sivih tijela, imaju izražen selektivan karakter. Ovi plinovi apsorbiraju i emitiraju energiju zračenja samo u određenim rasponima valnih duljina koji se nalaze u razne dijelove spektra (sl. 29-6). Ovi plinovi su prozirni za zrake drugih valnih duljina. Kad se zraka sastane

Na svom putu nalazi se sloj plina koji može apsorbirati zraku zadane valne duljine, zatim se ta zraka djelomično apsorbira, djelomično prolazi kroz debljinu plina i izlazi s druge strane sloja intenzitetom manjim od ulaz. Vrlo debeo sloj mogao bi praktički u potpunosti apsorbirati zraku. Osim toga, apsorpcijska sposobnost plina ovisi o njegovom parcijalnom tlaku ili broju molekula i temperaturi. Emisija i apsorpcija energije zračenja u plinovima događa se u cijelom volumenu.

Koeficijent apsorpcije plina može se odrediti prema sljedećem odnosu:

ili opća jednadžba

Debljina plinskog sloja s ovisi o obliku tijela i određuje se kao prosječna duljina snopa prema empirijskoj tablici.

Tlak produkata izgaranja obično se uzima jednak 1 baru, stoga se parcijalni tlakovi troatomnih plinova u smjesi određuju jednadžbama p co2, = r co2, i P H 2 O = r H 2 O, gdje je r volumen udio plina.

Prosječna temperatura zida izračunava se pomoću jednadžbe

(29-21).

gdje je T" st - temperatura stijenke kanala na ulazu u plin; T"" c t - temperatura stijenke kanala na izlazu iz plina.

Prosječna temperatura plina određena je formulom

(29-22)

gdje je T" g temperatura plina na ulazu u kanal;

T"" p - temperatura plina na izlazu iz kanala;

Kod hlađenja se uzima znak plus, a kod zagrijavanja plina u kanalu znak minus.

Proračun prijenosa topline zračenjem između plina i stijenki kanala vrlo je složen i izvodi se pomoću niza grafikona i tablica. Jednostavniju i potpuno pouzdanu metodu izračuna razvio je Shack, koji predlaže sljedeće jednadžbe koje određuju zračenje plinova u medij s temperaturom od O°K:

(29-23)

(29-24) gdje je p parcijalni tlak plina, bar; s - prosječna debljina sloja plina, m, T - Prosječna temperatura plinovi i stijenke, °K. Analiza gornjih jednadžbi pokazuje da emisivnost plinova ne poštuje Stefan-Boltzmannov zakon. Emisija vodene pare proporcionalna je T3, a emisija ugljikova dioksida proporcionalna je T3"5.