A munka célja

A testfelület feketeségi fokának meghatározására irányuló kísérletek elvégzésének módszertanának megismerése.

Kísérleti készség fejlesztése.

Gyakorlat

Határozza meg az ε emissziós fokot és 2 különböző anyag (festett réz és polírozott acél) felületéről származó emissziós tényezőt!

Állapítsa meg az emissziós fok változásának a felületi hőmérséklettől való függését!

Hasonlítsa össze a festett réz és a polírozott acél feketeségi értékeit.

Elméleti bevezető

A hősugárzás a hőenergia átvitelének folyamata elektromágneses hullámokon keresztül. A sugárzás által átadott hő mennyisége a sugárzó test tulajdonságaitól és hőmérsékletétől függ, és nem függ a környező testek hőmérsékletétől.

Általában a testre eső hőáram részben elnyelődik, részben visszaverődik, és részben áthalad a testen (1.1. ábra).

Rizs. 1.1. Sugárzási energia eloszlási diagram

(2)

Ahol - a testet érő hőáram,

- a szervezet által felvett hőmennyiség,

- a test által visszavert hőmennyiség,

- a testen áthaladó hőmennyiség.

A jobb és bal részt elosztjuk a hőárammal:

Mennyiségek
a test abszorpciója, reflexiója és áteresztőképessége.

Ha
, Azt
, azaz a testet érő teljes hőáram felszívódik. Az ilyen testet ún teljesen fekete .

Olyan testek
,
azok. a testre eső teljes hőáram visszaverődik róla, ún fehér . Sőt, ha a felületről való visszaverődés engedelmeskedik az optika törvényeinek, a testet ún tükrözött – ha a visszaverődés diffúz – teljesen fehér .

Olyan testek
,
azok. a testen áthaladó teljes hőáramot ún diatermikus vagy teljesen átlátszó .

Abszolút testek nem léteznek a természetben, de az ilyen testek fogalma nagyon hasznos, különösen egy abszolút fekete test esetében, mivel a sugárzását szabályozó törvények különösen egyszerűek, mivel a felületéről nem verődik vissza sugárzás.

Ezenkívül az abszolút fekete test fogalma lehetővé teszi annak bizonyítását, hogy a természetben nincsenek olyan testek, amelyek több hőt bocsátanak ki, mint a feketék.

Például a Kirchhoff-törvény szerint egy test emissziós tényezőjének aránya és abszorpciós képessége minden testre ugyanaz, és csak a hőmérséklettől függ, minden testre, beleértve az abszolút feketét is, egy adott hőmérsékleten:

(3)

Egy teljesen fekete test elnyelőképessége óta
A És stb. mindig kisebb 1-nél, akkor a Kirchhoff-törvényből az következik, hogy a maximális emissziós tényező teljesen fekete teste van. Mivel a természetben nincsenek teljesen fekete testek, bevezetjük a szürke test fogalmát, melynek feketeségi foka ε, ami egy szürke és egy abszolút fekete test emissziós tényezőjének aránya:

Kirchhoff törvényét követve és figyelembe véve azt
le lehet írni
ahol
azok . a feketeség mértéke a test relatív emissziós és abszorpciós képességét egyaránt jellemzi . A sugárzás alaptörvénye, amely a sugárzás intenzitásától függ
ehhez a hullámhossz-tartományhoz (monokromatikus sugárzás) kapcsolódik a Planck-törvény.

(4)

Ahol - hullámhossz, [m];

;

És az első és a második Planck-állandó.

ábrán. 1.2 ez az egyenlet grafikusan van bemutatva.

Rizs. 1.2. A Planck-törvény grafikus ábrázolása

A grafikonon látható, hogy egy teljesen fekete test bármilyen hőmérsékleten, széles hullámhossz-tartományban bocsát ki sugárzást. A hőmérséklet növekedésével a maximális sugárzási intenzitás rövidebb hullámok felé tolódik el. Ezt a jelenséget a bécsi törvény írja le:

Ahol
- a maximális sugárzási intenzitásnak megfelelő hullámhossz.

Értékekkel
Planck törvénye helyett alkalmazható a Rayleigh-Jeans törvény, amelyet a „hosszúhullámú sugárzás törvényének” is neveznek:

(6)

A teljes hullámhossz-tartományra vonatkozó sugárzási intenzitás tól
előtt
(integrális sugárzás), a Planck-törvényből integrálással határozható meg:

hol van a fekete test emissziós tényezője. A kifejezést Stefan-Boltzmann törvénynek nevezik, amelyet Boltzmann hozott létre. Szürke testekre a Stefan-Boltzmann törvényt így írják:

(8)

- a szürke test emissziós képessége. A két felület közötti sugárzás általi hőátadást a Stefan-Boltzmann törvény alapján határozzák meg, és a következő alakja van:

(9)

Ha
, akkor a csökkentett emissziós fok egyenlő lesz a felület emissziós fokával , azaz
. Ez a körülmény képezi az egymással sugárzó energiát cserélő testekhez képest jelentéktelen méretű szürke testek emissziós képességének és feketeségi fokának meghatározására szolgáló módszer alapját.

(10)

(11)

A képletből látható, az emissziós tényező és az emissziós fok meghatározása VAL VEL a szürke testnek ismernie kell a felületi hőmérsékletet tesztelt test, hőmérséklet környezetés a testfelületről sugárzó hőáram
. Hőmérsékletek És ismert módszerekkel mérhető. A sugárzott hőáramot pedig a következő szempontok alapján határozzuk meg.

A hő a testek felületéről a szabad konvekció során sugárzással és hőátadással terjed a környező térbe. Teljes áramlás így a test felületétől egyenlő lesz:

, ahol
;

- a hőáram konvektív összetevője, amely a Newton-Richmann törvény szerint határozható meg:

(12)

Viszont a hőátbocsátási tényező kifejezésből határozható meg:

(13)

Ezekben a kifejezésekben a meghatározó hőmérséklet a határréteg hőmérséklete:

Rizs. 2 A kísérleti összeállítás vázlata

Legenda:

B – kapcsoló;

P1, P2 – feszültségszabályozók;

PW1, PW2 – teljesítménymérők (wattmérők);

NE1, NE2 – fűtőelemek;

IT1, IT2 – hőmérsékletmérők;

T1, T2 stb. – hőelemek.

A hősugárzás vizsgálata. a wolfram izzólámpa feketeségi fokának meghatározása

3.1 A hősugárzás és jellemzői

A kellően magas hőmérsékletre felmelegített testek képesek elektromágneses hullámok kibocsátására. A testek melegítéssel kapcsolatos izzását hősugárzásnak nevezzük. Ez a sugárzás a leggyakoribb a természetben. A hősugárzás lehet egyensúlyi, azaz. zárt (hőszigetelt) rendszerben lévő anyaggal termodinamikai egyensúlyi állapotban lehet. A hősugárzás kvantitatív spektrális jellemzője az energia fényesség (emissziós) spektrális sűrűsége:

ahol az energia fényesség spektrális sűrűsége; - a test egységnyi felületéről egységnyi idő alatt kibocsátott elektromágneses sugárzás energiája a közötti hullámhossz-tartományban;

A test egységnyi felületére jutó teljes hősugárzási teljesítmény jellemzője a teljes hullámhossz-tartományban az energiafényesség (integrált energiafényesség):

3.2. Planck-képlet és törvények Fekete test hősugárzása

Stephan-Boltzmann törvény

1900-ban Planck felállított egy hipotézist, amely szerint az atomoszcillátorok nem folyamatosan, hanem rész-kvantumokban bocsátanak ki energiát. Planck hipotézisének megfelelően az energia fényesség spektrális sűrűségét határozzuk meg a következő képlet:

. (3)

A Planck-féle képletből megkaphatjuk az energetikai fényesség kifejezését. Helyettesítsük be a (3) képletből a test energetikai fényességének spektrális sűrűségének értékét a (2) kifejezésbe:

(4)

A (4) integrál kiszámításához bevezetünk egy új változót. Innen ; . Ezután a (4) képletet a következő alakra alakítjuk:

Mert , akkor az energetikai fényesség (5) kifejezése a következő formában lesz:

. (6)

A (6) kapcsolat a Stefan-Boltzmann törvény, ahol a Stefan-Boltzmann állandó W/(m 2 K 4).

Ez adja a Stefan-Boltzmann törvény definícióját:

Egy teljesen fekete test energetikai fényereje egyenesen arányos az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával.

A hősugárzás elméletében a fekete test modell mellett gyakran használják a szürke test fogalmát. Egy testet szürkének nevezünk, ha abszorpciós együtthatója minden hullámhosszra azonos, és csak a felület hőmérsékletétől és állapotától függ. Szürke test esetén a Stefan-Boltzmann törvény a következőképpen alakul:

ahol a hőkibocsátó emissziós tényezője (emissziós tényező).

· a bor első törvénye (a bor kiszorítási törvénye)

Vizsgáljuk meg a (3) relációt egy szélsőségre. Ehhez meghatározzuk a spektrális sűrűség első deriváltját a hullámhosszhoz képest, és egyenlővé tesszük azt nullával.

. (8)

Vezessünk be egy változót. Ekkor a (8) egyenletből kapjuk:

. (9)

Általános esetben a (9) transzcendentális egyenletet az egymást követő közelítések módszerével oldjuk meg. Mivel valós hőmérsékletekre a (9) egyenlet egyszerűbb megoldása is megtalálható. Valójában e feltétel mellett a (9) reláció leegyszerűsödik, és a következő formát ölti:

amelynek van megoldása a . Ennélfogva

A (9) egyenlet pontosabb megoldása az egymást követő közelítések módszerével a következő függéshez vezet:

, (10)

Ahol mK.

A (10) relációból következik Wien első törvényének (Wien eltolási törvényének) meghatározása.

Az energetikai luminozitás maximális spektrális sűrűségének megfelelő hullámhossz fordítottan arányos a testhőmérséklettel.

A mennyiséget a Wien-féle eltolási törvény állandójának nevezzük.

· a bor második törvénye

Helyettesítsük be a (10) egyenletből származó értéket az energiafény (3) spektrális sűrűségének kifejezésébe. Ekkor megkapjuk a maximális spektrális sűrűséget:

, (11)

Ahol W/m 2 K 5.

A (11) relációból Wien második törvényének meghatározása következik.

Egy abszolút fekete test energiafényességének maximális spektrális sűrűsége egyenesen arányos az abszolút hőmérséklet ötödik hatványával.

A mennyiséget Wien második törvényének állandójának nevezzük.

Az 1. ábra az energetikai luminozitás spektrális sűrűségének függését mutatja a hullámhossztól egy bizonyos testre két különböző hőmérsékletek. A hőmérséklet növekedésével a spektrális sűrűséggörbék alatti területnek a hőmérséklet negyedik hatványával arányosan kell növekednie a Stefan-Boltzmann törvény szerint, a maximális spektrális sűrűségnek megfelelő hullámhossznak a hőmérséklettel fordítottan arányosan csökkennie kell a Wien-féle eltolási törvény szerint, és a spektrális sűrűség maximális értékének egyenesen arányosan kell növekednie az abszolút hőmérséklet ötödik hatványával Wien második törvényének megfelelően.

1. kép

4. ESZKÖZÖK ÉS TARTOZÉKOK. TELEPÍTÉSI LEÍRÁS

Ebben a munkában különböző teljesítményű (25, 60, 75 és 100 W) elektromos lámpák izzószálát használják kibocsátó testként. Az elektromos izzók izzószála hőmérsékletének meghatározásához az áram-feszültség karakterisztikát veszik, amelyből meghatározzák az izzószál statikus ellenállásának értékét () és kiszámítják a hőmérsékletét. A 2. ábra egy izzólámpa tipikus áram-feszültség karakterisztikáját mutatja be. Látható, hogy kis áramértékeknél az áram lineárisan függ a rákapcsolt feszültségtől és a megfelelő egyenes átmegy az origón. Az áram további növelésével az izzószál felmelegszik, a lámpa ellenállása megnő, és az áram-feszültség karakterisztika eltérése figyelhető meg a koordináták origóján átmenő lineáris függéstől. A nagyobb ellenállású áram fenntartásához nagyobb feszültségre van szükség. A lámpa differenciálellenállása monoton csökken, majd szinte állandó értéket vesz fel, az áram-feszültség karakterisztika összességében nemlineáris. Feltételezve, hogy az elektromos lámpa által fogyasztott energiát a sugárzás eltávolítja, meghatározhatjuk a lámpa izzószál emissziós együtthatóját, vagy megbecsülhetjük a Stefan-Boltzmann állandót a következő képlet segítségével:

, (12)

hol van a lámpa izzószálának területe; - feketeség foka; - Stefan-Boltzmann állandó.

A (12) képletből meghatározhatja egy elektromos lámpa izzószálának emissziós együtthatóját.

. (13)

2. ábra

A 3. ábra mutatja elektromos diagram berendezések a lámpa áram-feszültség jellemzőinek mérésére, az izzószál ellenállásának, hőmérsékletének meghatározására és a hősugárzás törvényszerűségeinek tanulmányozására. A K 1 és K 2 gombok a szükséges áram- és feszültségmérési határértékekkel rendelkező elektromos mérőműszerek csatlakoztatására szolgálnak.

A változtatható ellenállás egy 220 V-os hálózati feszültségű váltakozó áramú áramkörhöz van csatlakoztatva, egy potenciometrikus áramkör segítségével, amely biztosítja a feszültség zökkenőmentes változását 0 és 220 V között.

Az izzószál hőmérsékletének meghatározása a fém ellenállásának a hőmérséklettől való ismert függésén alapul:

ahol az izzószál ellenállása 0 0 C-on; - a volfrám ellenállási együtthatója, 1/fok.

3. ábra

Írjuk fel a (14) kifejezést szobahőmérsékletre.

. (15)

Ha a (14) kifejezést elosztjuk a (15) kifejezéssel, akkor a következőt kapjuk:

Innen határozzuk meg az izzószál hőmérsékletét:

. (17)

Így, ismerve az izzószál statikus ellenállását áram hiányában szobahőmérsékleten és az izzószál ellenállását, amikor áram folyik, meg lehet határozni az izzószál hőmérsékletét. A munkavégzés során az ellenállást szobahőmérsékleten digitális elektromos mérőműszerrel (teszterrel) mérik, és az izzószál statikus ellenállását Ohm törvénye alapján számítják ki.

6. A MUNKA ELJÁRÁSÁNAK ELJÁRÁSA

1. Csavarja ki az izzólámpát a foglalatból, és digitális elektromos mérővel határozza meg a vizsgált elektromos lámpa izzószálának ellenállását szobahőmérsékleten. A mérési eredményeket rögzítse az 1. táblázatban.

2. Csavarja be a lámpát a foglalatba, olvassa le a lámpa áram-feszültség karakterisztikáját (az áram feszültségtől való függése). Mérje meg az áramerősséget 5 mA-ként 2-5 perces rövid expozíció után A mérési eredményeket jegyezze fel az 1. táblázatba.

3. Számítsa ki a (18) és (17) képlet segítségével az izzószál ellenállását és hőmérsékletét 0 C és K hőmérsékleten!

4. Számítsa ki az izzószál emissziós tényezőjét a (13) képlet segítségével. A számítási eredményeket rögzítse az 1. táblázatban.

Kísérleti adatok az emissziós együttható kiszámításához

Asztal 1

№	ÉN,	V,	P,	R,	t,	T,	S,	k
	mA	BAN BEN	W	Ohm	0 C	NAK NEK	m 2

5. Az 1. táblázat adatai alapján ábrázolja a lámpa áram-feszültség karakterisztikáját, az ellenállás és az emissziós együttható hőmérséklettől és teljesítménytől való függését!

A szilárd anyagok sugárzása felületi, míg a gázok sugárzása térfogati.

A T 0 1 abs és T 0 2 abs (T 1 > T 2) hőmérsékletű szilárd anyagok két lapos párhuzamos szürke felülete közötti sugárzás általi hőátadást a következő képlettel számítjuk ki.

Cpr - csökkentett emissziós tényező;

C 1 - az első test felületének emissziós képessége;

C 2 - a második test felületének emissziós képessége;

C s = 4,9 kcal/m 2 óra 1 fok - fekete test emissziós tényezője.

A gyakorlati számításokban kényelmesebb az úgynevezett emissziós fokot használni

=.

Csökkentett emissziós tényező

Abban az esetben, ha az első F 1 felületű test mindenből

oldalait a második test F 2 felülete veszi körül, az átadott hőmennyiséget a képlet határozza meg

A csökkentett emissziós tényezőt és a csökkentett emissziós fokot a képletek határozzák meg

Abban az esetben, ha F 2 >F 1, azaz

Cpr =C1 és pr = 1 .

A sugárzás okozta hőveszteség csökkentése érdekében úgynevezett képernyőket alkalmaznak. A képernyő egy vékony falú lap, amely a sugárzó felületet takarja, és az utóbbitól rövid távolságra helyezkedik el. Első közelítésként nem vesszük figyelembe a képernyő és a sugárzó felület közötti légrésen keresztüli konvektív hőátadást. Valamint magának a képernyő falának hőellenállását mindig figyelmen kívül hagyják, vagyis a felületein lévő hőmérsékleteket azonosnak tekintik.

Lapos párhuzamos képernyőknél a sugárzással történő hőátadás képletét használják a helyettesítéssel az úgynevezett ekvivalens emissziós fok

Ahol 12 ,23 stb. - a képlet határozza meg pr, az 1. és 2. felület közötti, a 2. és 3. felület közötti sugárzással történő hőcsere során a csökkent emissziós fok, stb.

Hengeres testek (csövek) árnyékolásakor az ekvivalens emissziós fok

A Q átadott hőmennyiséget a képlet számítja ki

Gázok sugárzása

A sugárzó gázok három- és többatomos gázok. A sugárzás a legnagyobb gyakorlati érdeklődés

CO 2 és H 2 O.

A gázok kibocsátása szelektív, és a gáztérfogat méretétől és alakjától függ.

A CO 2 és H 2 O komponenseket tartalmazó gáztérfogatból a sugárzással átadott hőmennyiséget a környező, szürke testre jellemző héjra a képlet határozza meg.

ahol T gáz a kisugárzott gáztérfogat abszolút hőmérséklete;

T st - a környező héj abszolút hőmérséklete;

= 0,5 (+ 1) - a héj effektív emissziós foka (at 0,8-1,0);

=
+
- a gáz feketeségi foka, a 2. ábra grafikonjai alapján meghatározva. 85 és 86 az átlagos gázhőmérséklethez;

- a gáz emissziós foka, ugyanazon grafikonok szerint, de a héj t st hőmérséklete szerint meghatározva;

ábra grafikonjából meghatározott β-korrekció a vízgőz parciális nyomására. 87.

A szén-dioxid feketeségi foka
és vízgőzt
függ a gáztérfogat hőmérsékletétől és a sugárzó réteg effektív vastagságától ps, ahol p ata a sugárzó komponens parciális nyomása, sm pedig a csökkentett nyalábhossz.

A csökkentett sugárhossz hozzávetőlegesen a képlettel határozható meg

ahol Vm 3 a sugárzó gázzal töltött térfogat (sugárzó térfogat);

Fm 2 - héjfelület.

Bizonyos speciális esetekben a csökkentett sugárhosszt a következő képletek határozzák meg:

a csőközi térben lévő gáz térfogatára (s 1 - hosszirányú osztás, azaz a sorban lévő csövek tengelyei közötti távolság; s 2 - keresztirányú osztás, azaz a sorok közötti osztás; d - csőátmérő)

végtelen kiterjedésű és vastagságú síkkal párhuzamos gázréteghez

s = 1,8 ;

hengerátmérőhöz d

Néha bevezetik az α l kcal/m 2 óra deg hőátbocsátási tényező fogalmát. Ezt az együtthatót a képlet határozza meg

Példa. Határozza meg a sugárzás által egy t 1 = 1027 °C felületi hőmérsékletű fűtött acéllemezről egy másik hasonló lemezre átadott hőmennyiséget, amelynek felületi hőmérséklete t 2 = 27 °C, és amely párhuzamos az elsővel. .

Megoldás: A 20. függelékből megtaláljuk az acéllemez (oxidált) emissziós fokát:
. Meghatározzuk az adott

képlet szerinti emissziós fok

Az átadott hő mennyisége

Példa. A helyiségben 300 mm átmérőjű acél gőzvezetéket helyeznek el, amelynek külső falának hőmérséklete t 1 = 300 ° C. A hőveszteség csökkentése érdekében a gőzvezetéket kettős hengeres burkolattal (szitával) borítják. Az első 320 mm átmérőjű burkolat vékony acéllemezekből ( = 0,82), a második 340 mm átmérőjű burkolat vékony alumíniumlemezekből ( = 0,055). Határozza meg a hőveszteséget 1 lineárisan. m csupasz és árnyékolt gőzcsövek, valamint az alumínium burkolat hőmérséklete. A konvektív hőátadás figyelmen kívül hagyása. A szoba hőmérséklete 25°C.

Megoldás: Határozzuk meg a hőveszteséget csupasz gőzvezetékkel, feltételezve, hogy az F 1 gőzvezeték felülete sokszorosa az F 4 helyiség falainak felületének. F 1-en<

pr = 1 = 0.80

(oxidált acélhoz).

A képlet szerint

Most határozzuk meg a hőveszteséget képernyők jelenlétében. Meghatározzuk a csökkentett emissziós együtthatókat:

Egyenértékű emissziós tényező

A sugárzás által átadott hőmennyiség

Így a képernyők beépítése következtében a hőveszteség 1-vel csökkent

Az alumíniumlemez hőmérsékletének meghatározásához elkészítjük az egyenletet

Ezt az egyenletet megoldva azt találjuk

Példa. A csatornán átáramló forró levegő hőmérsékletének mérésére hőelemet használnak. A hőelem csomópontja és a csatorna falai között (88. ábra) sugárzási hőcsere történik, amely torzítja a hőelem leolvasásait. A hőmérsékletmérési hiba csökkentése érdekében a hőelemet az 1. szitacsővel zárjuk. Határozza meg a légáram tényleges hőmérsékletét, ha a hőelem hőmérséklete t = 200° C. A csatorna belső falának hőmérséklete t st = 100 ° C. Az ernyő és a hőelem átmenet emissziós foka azonos és 0,8. A hőátadási tényező a levegőtől a hőelem csatlakozásáig α = 40 kcal/m 2 óra fok, a képernyő felületéig pedig α = 10 kcal/m 2 óra fok.

Megoldás: jelöljük a valót

(kívánt) levegő hőmérséklet t in.

A hőmérsékletet határozza meg

hőelem, a hőmérséklet

neki solda t.

Készítsünk egyenletet a hőelem átmenet hőmérlegére. A konvekció következtében a csomópont által kapott hőmennyiség egyenlő

és a csatlakozás F felülete és a hőelem csatlakozását körülvevő képernyőcső F felülete közötti sugárzás által leadott hő mennyisége

ahol T e a szitacső belső felületének abszolút hőmérséklete.

Figyelembe véve, hogy F e >>F, azt kapjuk
.

Álló üzemmódban a hőelem átmenet hőmérlegét az egyenlet fejezi ki

Most hozzuk létre a szitacső hőegyensúlyát, figyelmen kívül hagyva magának a csőnek a hőellenállását. Hő érkezés a konvekció miatt

A hőelem csatlakozásából származó sugárzásból származó hőnyereség nyilvánvalóan egyenlő a hővel

ami viszont egyenlő azzal

Hőfogyasztás a képernyőcső külső felületének a csatorna környező falaira történő sugárzása miatt

és azóta is ebben az esetben F st >>F e, akkor
. Így a szitacső hőmérlegét az egyenlet fejezi ki

Általában ebben az egyenletben a bal oldali első tagot figyelmen kívül hagyják.

alkatrészek (F e >>F miatt). Akkor

Az egyenletek együttes megoldása lehetővé teszi a szükséges meghatározását

Hőmérséklet t be

A kapott egyenleteket grafikusan, azokból számolva oldjuk meg

Hőmérséklet t in a t e függvényében. A megfelelő görbék metszéspontja (89. ábra) határozza meg a hőmérsékletet:

Hiba a hőmérséklet hőelem segítségével történő meghatározásakor

Példa. Határozza meg a sugárzás által a vízcsöves gőzkazán gázcsatornájában elhelyezett acélcsövekre átadott hőmennyiséget! A füstgázokban lévő vízgőzben lévő szén-dioxid parciális nyomása p C O 2 = 0,15 ata, illetve p H 2 O = 0,075 ata. A csövek külső átmérője d = 51 mm; hosszirányú lépéseik 1 = 90 mm és keresztirányú lépéseik 2 = 70 mm. Gáz hőmérséklet

n
a gázcsatorna bejáratánál / =1000 0 C, és a gázcsatorna kijáratánál // =800 0 C. Külső hőmérséklet

csőfelület állandó

és egyenlő t st =230 0 C-kal.

Megoldás.Előzetesen

határozza meg az átlagos hőmérsékletet

gázáramlást, amit elfogadunk

egyenlő tervezési hőmérséklet t gáz.

Megfelelő effektív rétegvastagságok

ábra grafikonjai szerint. 85 és 86 találunk

β korrekció a vízgőz parciális nyomására (87. ábra szerint) β = 1,06.

A képlet szerint

Sugárzási hőátbocsátási tényező

Példa. Egy d = 0,25 m belső átmérőjű hengeres acélcsőben gázelegy mozog. Átlagos gázhőmérséklet gáz = 1100 0 C. A szén-dioxid parciális nyomása

= 0,45 atta. Falhőmérséklet tst = 300 0 C. Határozza meg a sugárzás által átadott hőmennyiséget 1 lineáris méterenként! m csövek.

Megoldás: Csökkentett sugárhossz

S=0,9d=0,9·0,25=0,225 m.

A sugárzó réteg effektív vastagsága

s
=0,225·0,45=0,101 m atta.

ábra szerint. 85 értéket t=1100 °C-on határozzuk meg
=0,10: att= 300 0 C
= 0,095. Mivel a keverékben nincs vízgőz, akkor gáz = 0,10 és
= 0,095.

A képlet szerint

1 lineárisra m

Feladatok

453. Határozza meg, hogy egy acéllemez t 1 = 600 0 C hőmérsékleten mekkora hőt sugároz a lemezzel párhuzamosan elhelyezkedő, t 2 = 27 0 C hőmérsékletű, azonos méretű sárgaréz lemezre! Határozza meg a sugárzás általi hőátadási tényezőt is.

Válasz: q 12 = 5840 kcal/m2 óra, α l = 10,2 kcal/m2 óra deg.

454. Sugárzó hőcsere két párhuzamos sík között megy végbe. t 1 = hőmérsékletű felület

600°C és feketeségi fok =0,64, mennyiségben hőt bocsát ki

q 12 = 1000 kcal/m 2 óra. Határozza meg a hőt befogadó alumínium érdes felület hőmérsékletét ( = 0,055).

Válasz: t 2 =390 0 C.

455. Határozza meg a síkfal felülete által egy másik párhuzamos síkfalra kisugárzott hőmennyiséget q 12 kcal/m 2 óra! A falhőmérséklet rendre t 1 = 227 ° C és t 2 = 27 0 C. A meghatározás négy lehetőség szerint történik:

a) C 1 = C 2 = C s = 4,9 kcal/m 2 óra 4 fok (abszolút fekete felületek);

b) C 1 = C 2 = 4,3 kcal/m 2 óra 4 fok (matt acélfelületek);

c) C 1 = 4,3 kcal/m 2 óra 4 fok (matt acélfelület),

C 2 = 0,3 kcal/m 2 óra 4 fok (bádoglemez);

d) C 1 = C 2 = 0,3 kcal/m 2 óra 4 fok (bádoglemez).

Válasz: a) q 12 =2660 kcal/m 2 óra; 6) q 12 = 2080 kcal/m 2 óra;

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

456. Egy tégla helyiségben d = 200 mm átmérőjű és 1 = 5 m hosszúságú acélcső található, melynek szélessége a = 8 m, magassága h = 5 m. Határozza meg a sugárzási hőveszteséget a cső, ha a cső felületi hőmérséklete t 1 = 327 ° C, a helyiség falainak felületi hőmérséklete t 2 = 27 ° C.

Válasz: Q 12 =14950 kcal/óra.

457. Oldja meg az előző feladatot, feltéve, hogy a) az acélcső 2 x 1 m keresztmetszetű téglafolyosóban van, és b) az acélcső 350 x 350 keresztmetszetű téglacsatornában van elhelyezve. mm. A falak hőmérséklete mindkét esetben t 2 = 27° C. Hasonlítsa össze az eredményeket az előző feladat válaszával!

Válasz: a) Q 12 =14900 kcal/óra; b)Q 12 = 14500 kcal/óra.

458. Határozza meg a sugárzás okozta hőveszteséget egy egyenes vonallal! m acél gőzvezeték. A gőzvezeték külső átmérője d = 0,2 m, felületi hőmérséklete t 1 = 310 0 C, a hőmérséklet

környezeti levegő t 2 = 50 0 C. Hasonlítsa össze a megoldás eredményeit a 442. feladat válaszával!

Válasz: q= 2575 kcal/lineáris. m óra; A sugárzás okozta hőveszteség 2,36-szor nagyobb, mint a konvektív hőátadásból származó hőveszteség.

459. Egy gőzkazán 500 x 400 mm méretű öntöttvas égésterű ajtójának hőmérséklete t 1 = 540 °C ( = 0,64). Határozza meg a kisugárzott hő mennyiségét, ha a kazánház hőmérséklete t 2 = 35° C. Határozza meg a hőátbocsátási tényezőt is sugárzással.

Válasz: Q = 2680 kcal/óra, α l = 2b,5 kcal/m 2 óra deg.

460. Határozzuk meg a sugárzással történő hőátadást matt acél párhuzamos felületek között (lásd 455 6. feladat), ha egy vékony acéllemez formájú, azonos emissziós tényezőjű szitát helyezünk közéjük!

Válasz: q 12 = 1040 kcal/m 2 óra.

461. Oldja meg a 460. feladatot, feltéve, hogy az acélfelületek közé egy négy vékony acéllemezből álló, azonos emissziós tényezőjű szitát helyezünk el.

Válasz: q 12 =416 kcal/m 2 óra.

462. Oldja meg a 455 6. feladatot, feltéve, hogy az acélfelületek közé bádogszita kerül. Hasonlítsa össze a megoldás eredményét a 455 6. feladat válaszával.

Válasz: q 12 =81 kcal/m 2 óra, azaz megközelítőleg 25-szörösére csökken az átadott hőmennyiség.

463. Oldja meg a 455 6. feladatot, feltéve, hogy az acélfelületek között két bádoglemezből álló szita van!

Válasz: q 12 = 41,5 kcal/m 2 óra.

464. A gőzkazán kemencéjét t 1 = 1000 0 C feltételes hőmérsékletű és feltételes emissziós fokú lángfáklyával töltik meg. = 0,3. Határozza meg a tűztér öntöttvas ajtóval lezárt csavarnyílásán keresztül kisugárzott hőmennyiséget ( = 0,78), valamint magának az ajtónak a hőmérséklete, ha a kazánház hőmérséklete t 2 = 30 0 C (az öntöttvas ajtó síkképernyőnek tekinthető a fáklya és a környezet között). Feltételezzük, hogy a környezet feketeségi foka 1,0.

Válasz: q = 25530 kcal/m 2 óra; t dv = b5b °C.

465. Oldja meg az előző feladatot, feltéve, hogy az öntöttvas ajtó a tűztér oldalán elhelyezett öntöttvas reflektorral van felszerelve (ilyen reflektor tekinthető paravánnak).

Válasz: q = 19890 kcal/m 2 óra; t dv = 580°C.

466. Oldja meg a 225. oldalon található példát, feltéve, hogy a hőelem csatlakozását nem védi szitacső.

Válasz: t in =230 0 C; a hőmérséklet meghatározásának hibája 13%.

467. Oldja meg a 458. feladatot, feltéve, hogy a gőzvezetéket acéllemezből készült szita veszi körül ( = 0,82). A szita átmérője d e = 0,3 m. A gőzvezeték és az acélszita között levegő van. A sugárzásból eredő hőveszteség meghatározásakor a képernyő és a levegő közötti konvektív hőcserét nem szabad figyelembe venni. Határozza meg a képernyő hőmérsékletét is. Hasonlítsa össze az eredményeket a 458. feladat válaszával. Válasz: q= 1458 kcal/lineáris. m óra; t e = 199 °C.

468. Oldja meg az előző feladatot a képernyő és a levegő közötti konvektív hőcsere figyelembevételével, α e = 20 kcal/m 2 óra fok hőátbocsátási tényezővel! Hasonlítsa össze az eredményt a 458. és 467. feladat válaszával.

Válasz: q= 1890 kcal/lineáris. m óra; t e = 126 °C.

Javallat: A 468-as feladat megoldásakor összeállítás szükséges

hőmérleg egyenlet.

469. Egy d = 0,2 m átmérőjű gőzvezeték (a 458. feladatban jelölve) hőszigeteléssel van ellátva, amely 5 db szűrőből áll. alufólia (= 0,055). A fóliarétegek közötti távolság a = 5 mm. Határozza meg, hogy egy szigetelt gőzvezeték sugárzási hővesztesége hányszor kisebb, mint egy szigeteletlen gőzvezeték hővesztesége. Válasz: 127-szer kevesebb.

470. Határozza meg a gőzkazán vízmelegítő vezetékeinek falaira kibocsátott füstgázok sugárzásának hőátadási tényezőjét! A csövek külső átmérője d= 44,5 mm, a csövek hosszirányú osztása egy sorban

s 1 = 135 mm, és keresztirányú osztás s 2 = 90 mm. A gázok hőmérséklete a füstelvezető bejáratánál t / = 900 0 C, a kilépésnél t // = 700 ° C. A csőfalak felületi hőmérséklete t st = 300 ° C. A parciális nyomások A háromatomos gázok egyenlőek:
= 0,18 ata és
= 0,08 atta.

Válasz: α l 12,8 kcal/m 2 óra fok.

471. Oldja meg az előző feladatot, feltéve, hogy a csövek lépcsőit s 1 = 81 mm-re és s 2 = 65 mm-re csökkentjük, és a fennmaradó kiindulási adatokat változatlanul hagyjuk. Válasz: α l = 8 kcal/m 2 óra deg.

472. 820 x 20 mm keresztmetszetű keskeny csatornában a következő összetételű gázkeverék (térfogat szerint) mozog: N 2 = 73%; O 2 = 2%; C02=15%, H20=10%. A gázelegy átlagos hőmérséklete gáz = 900° C, a keverék nyomása p = 1 ata. A csatorna falai acéllemezből készülnek. Hőmérséklet a csatornafalak felületén t st = 100° C. Határozza meg a gázokból a sugárzás által a csatornafalakra átadott hőmennyiséget! Válasz: q=4000 kcal/m 2 óra.

SZÖVETSÉGI OKTATÁSI ÜGYNÖKSÉG

ÁLLAMI FELSŐOKTATÁSI INTÉZMÉNY

SZAKMAI OKTATÁS

"IVANOVSZKI ÁLLAMI ENERGETIKAI EGYETEM

NEVE V.I. LENIN"

Osztály elméleti alapok fűtésmérnökök

Szilárd test integrál emissziós fokának meghatározása

Útmutató a laboratóriumi munkák elvégzéséhez

Ivanovo 2006

Összeállította: V.V. Bukhmirov

AZOK. Szozinov

Szerkesztő D.V. Rakutina

Az útmutató azoknak a hallgatóknak szól, akik a 140101, 140103, 140104, 140106 és 220301 számú hőmérnöki szakokon tanulnak, és a „Hő- és tömegtranszfer” vagy „Hőtechnika” szakon tanulnak.

Az útmutató tartalmazza a kísérleti összeállítás leírását, a kísérlet lefolytatásának módszertanát, valamint a kísérleti eredmények feldolgozásához szükséges számítási képleteket.

Az útmutatót a TEF ciklus módszertani bizottsága hagyta jóvá.

Bíráló

Az Ivanovo Állami Energetikai Egyetem Hőmérnöki Elméleti Alapjainak Tanszéke

1. Feladat

1. Kísérletileg határozza meg egy vékony volfrámszál integrál emissziós fokát!

2. Hasonlítsa össze a kísérlet eredményeit referencia adatokkal!

2. Rövid információ a sugárzó hőátadás elméletéből

A hősugárzás (sugárzási hőcsere) a térben történő hőátadás módja, amelyet elektromágneses hullámok terjedésének eredményeként hajtanak végre, és amelynek energiája az anyaggal való kölcsönhatás során hővé alakul. A sugárzó hőátadás az energia kettős átalakulásával jár: kezdetben a test belső energiája alakul át elektromágneses sugárzás energiájává, majd miután az energiát elektromágneses hullámok továbbítják a térben, a sugárzási energia második átmenete egy másik test belső energiája lép fel.

Egy anyag hősugárzása a testhőmérséklettől (az anyag melegítési fokától) függ.

A testre beeső hősugárzási energia elnyelhető, visszaverődhet a testben vagy továbbadható rajta. Abszolút fekete testnek (ABL) nevezzük azt a testet, amely elnyeli az összes ráeső sugárzó energiát. Figyeljük meg, hogy adott hőmérsékleten a fekete test a lehető legnagyobb mennyiségű energiát bocsátja ki.

A test saját sugárzásának fluxussűrűségét ún emissziós képesség. Ezt a sugárzási paramétert egy elemi hullámhossz-tartományon belül spektrálisnak nevezzük természetes fluxussűrűség a test sugárzása vagy spektrális emissziós képessége. A fekete test emissziós tényezője a hőmérséklettől függően megfelel a Stefan–Boltzmann törvénynek:

, (1)

ahol  0 = 5,6710 -8 W/(m 2 K 4) – Stefan-Boltzmann állandó; = 5,67 W/(m 2 K 4) – fekete test emissziós tényezője; T – abszolút fekete test felületi hőmérséklete, K.

Abszolút fekete testek nem léteznek a természetben. Azt a testet, amelynek sugárzási spektruma hasonló a fekete test sugárzási spektrumához, és a spektrális sugárzási fluxussűrűség (E ) a fekete test spektrális sugárzási fluxussűrűségének (E 0,λ) azonos   hányada, az ún. szürke test:

, (2)

ahol   az emissziós fok spektrális foka.

A (2) kifejezés integrálása után a teljes sugárzási spektrumon (
) kapunk:

, (3)

ahol E a szürke test emissziós tényezője; E 0 – a fekete test emissziós képessége; – a szürke test integrál feketeségi foka.

Az utolsó (3) képletből a Stefan-Boltzmann törvény figyelembevételével egy kifejezés következik a szürke test belső sugárzásának (emissziós) fluxussűrűségének kiszámításához:

Ahol
– szürke test emissziós tényezője, W/(m 2 K 4); T – testhőmérséklet, K.

Az integrál emissziós fok értéke attól függ fizikai tulajdonságok test, annak hőmérséklete és a testfelület érdessége. Az integrál emissziós fokot kísérleti úton határozzuk meg.

BAN BEN laboratóriumi munka a wolfram integrál emissziós tényezőjét a felhevített volfrámszál (1. test) és a falak közötti sugárzási hőcsere tanulmányozásával határozzuk meg üveg(2. test) vízzel töltve (1. ábra).

Rizs. 1. A sugárzási hőátadás sémája a kísérletben:

1 – fűtött menet; 2 – az üvegtartály belső felülete; 3 – víz

Az üveghenger által kapott hőáram a következő képlettel számítható ki:

, (6)

ahol  pr – csökkentett emissziós fok két testből álló rendszerben; 1 és 2 – az első és a második test integrált emissziós foka; T 1 és T 2, F 1 és F 2 – az első és második test abszolút hőmérsékletei és hőcserélő felületeinek területei;  12 és  21 – szögsugárzási együtthatók, amelyek megmutatják, hogy a félgömb alakú sugárzás energiájának mekkora része esik egyről testet a másiknak.

A meredekségi együtthatók tulajdonságaival ez könnyen kimutatható
, A
. A szögegyütthatók értékeit behelyettesítve a (6) képletbe, megkapjuk

. (7)

Mivel a wolframszál (1 test) felülete sokkal kisebb, mint az azt körülvevő héj (2 test) felülete, a  21 szögegyüttható nullára hajlik:

F 1 F 2
 21 =F 1 /F 2 0 ill
. (8)

A (7) képlet utolsó következtetését figyelembe véve az következik, hogy a két testből álló rendszer csökkentett emissziós foka az ábrán látható. 1, csak a menetfelület sugárzási tulajdonságai határozzák meg:

 pr  1 ill
. (9)

Ebben az esetben a kapott hőáram kiszámításának képlete, amelyet egy üveghenger vízzel érzékel, a következőképpen alakul:

amelyből a wolframszál integrált emissziós fokának meghatározására szolgáló kifejezés következik:

, (11)

Ahol
– a wolframszál felülete: dand – a menet átmérője és hossza.

A wolframszál emissziós tényezőjét a következő képlettel számítjuk ki:

. (12)

Testek közötti sugárzó hőátadás átlátszó közegben (a rendszer csökkentett emissziós foka, a hőátadás számítása, a hőátadás intenzitásának csökkentésére vagy növelésére szolgáló módszerek).

Képernyők

BAN BEN különböző területeken A technológiában gyakran előfordulnak olyan esetek, amikor csökkenteni kell a sugárzás általi hőátadást. Például meg kell védeni a dolgozókat a hősugárzás hatásaitól olyan műhelyekben, ahol magas hőmérsékletű felületek vannak. Egyéb esetekben az épületek fa részeit le kell védeni a sugárzási energiától a gyulladás megelőzése érdekében; A hőmérőket óvni kell a sugárzó energiától, különben hibás értékeket adnak. Ezért minden alkalommal, amikor csökkenteni kell a sugárzás általi hőátadást, képernyőket szerelnek fel. A képernyő jellemzően vékony fémlemez, nagy fényvisszaverő képességgel. Mindkét képernyőfelület hőmérséklete azonosnak tekinthető.

Tekintsük a képernyő működését két sík, határtalanul párhuzamos felület között, és figyelmen kívül hagyjuk a konvekciós hőátadást. A falak és a képernyő felületét azonosnak tekintjük. A T 1 és T 2 falhőmérsékletet állandó értéken tartjuk, T 1 > T 2 értékkel. Feltételezzük, hogy a falak és a képernyő emissziós együtthatói egyenlőek egymással. Ekkor a redukált emissziós együtthatók a képernyő nélküli felületek, az első felület és a képernyő, valamint a képernyő és a második felület között egyenlőek egymással.

Az első felületről a másodikra ​​átadott hőáramot (szűrő nélkül) az egyenletből határozzuk meg

Az első felületről a képernyőre átadott hőáramot a képlet határozza meg

és a képernyőről a második felületre az egyenlet szerint

Egyenletesen termikus állapot q 1 = q 2 tehát

ahol

A kapott képernyőhőmérsékletet behelyettesítve bármelyik egyenletbe, azt kapjuk

Összehasonlítva az első és az utolsó egyenletet, azt találjuk, hogy egy képernyő telepítése a elfogadott feltételeket felére csökkenti a sugárzás általi hőátadást:

(29-19)

Bizonyítható, hogy két ernyő beépítése háromszoros hőátadást, három szita beépítése négyszeres hőátadást stb.

(29-20)

ahol C "pr a felület és a képernyő közötti csökkent emissziós tényező;

Cpr a felületek közötti csökkent emissziós tényező.

Gázok sugárzása

A gáznemű testek sugárzása élesen eltér a szilárd testek sugárzásától. Az egy- és kétatomos gázok emissziós és abszorpciós képessége elhanyagolható. Ezeket a gázokat átlátszónak tekintik a hősugárzás számára. A háromatomos gázok (CO 2 és H 2 O stb.) és a többatomos gázok már jelentős emissziós, így abszorpciós képességgel rendelkeznek. Nál nél magas hőmérsékletű a tüzelőanyagok elégetése során keletkező háromatomos gázok sugárzása rendelkezik nagyon fontos hőcserélő eszközök üzemeltetéséhez. A háromatomos gázok emissziós spektruma a szürke testek emissziójával ellentétben kifejezetten szelektív jellegű. Ezek a gázok csak bizonyos hullámhossz-tartományokban nyelnek el és bocsátanak ki sugárzó energiát különböző részek spektrum (29-6. ábra). Ezek a gázok átlátszóak más hullámhosszú sugarak számára. Amikor a sugár találkozik

Útközben van egy gázréteg, amely képes elnyelni egy adott hullámhosszú nyalábot, majd ez a nyaláb részben elnyelődik, részben áthalad a gáz vastagságán és a réteg másik oldalán lép ki, kisebb intenzitással, mint a bejárat. Egy nagyon vastag réteg gyakorlatilag teljesen elnyeli a sugarat. Ezenkívül egy gáz abszorpciós képessége függ a parciális nyomásától vagy a molekulák számától és a hőmérséklettől. A sugárzási energia kibocsátása és elnyelése a gázokban a teljes térfogatban történik.

A gázelnyelési együttható a következő összefüggéssel határozható meg:

vagy általános egyenlet

Az s gázréteg vastagsága a test alakjától függ, és az empirikus táblázat szerint a nyaláb átlagos hosszaként kerül meghatározásra.

Az égéstermékek nyomását általában 1 bar-nak veszik, ezért a keverékben lévő háromatomos gázok parciális nyomását a p co2, = r co2 és a P H 2 O = r H 2 O egyenletek határozzák meg, ahol r a térfogat gáz frakciója.

A fal átlagos hőmérsékletét az egyenlet segítségével számítjuk ki

(29-21).

ahol T" st - a csatorna falának hőmérséklete a gázbemenetnél; T"" c t - a csatorna falának hőmérséklete a gázkimenetnél.

A gáz átlagos hőmérsékletét a képlet határozza meg

(29-22)

ahol T"g a gáz hőmérséklete a csatorna bejáratánál;

T"" p - gáz hőmérséklete a csatorna kilépésénél;

A plusz jelet hűtés, a mínusz jelet a csatornában lévő gáz fűtése esetén veszik fel.

A gáz és a csatorna falai közötti sugárzás általi hőátadás kiszámítása nagyon összetett, és számos grafikon és táblázat segítségével történik. Egy egyszerűbb és teljesen megbízható számítási módszert dolgozott ki Shack, aki a következő egyenleteket javasolja, amelyek meghatározzák a gázok O°K hőmérsékletű közegbe történő kisugárzását:

(29-23)

(29-24) ahol p a gáz parciális nyomása, bar; s - a gázréteg átlagos vastagsága, m, T - átlaghőmérséklet gázok és falak, °K. A fenti egyenletek elemzése azt mutatja, hogy a gázok emissziós tényezője nem engedelmeskedik a Stefan-Boltzmann törvénynek. A vízgőz kibocsátás arányos T 3-al, a szén-dioxid kibocsátás pedig T 3 "5-tel.