Описание  опытной установки и методика проведения эксперимента

Изучение процесса лучистого теплообмена и факторов, влияющих на его интенсивность, проводилось калориметрическим методом с использованием имитационного моделирования.

Опытная установка состоит из нагреваемой электрическим током молибденовой нити (проволоки) 2, которая помещается в стеклянный калориметр 1 (рис.8.1). Калориметр представляет из себя герметичный цилиндрический сосуд с двухслойной стеклянной оболочкой. Концы молибденовой проволоки запаяны в стенки сосуда. Проволока нагревается вследствие пропускания через нее электрического тока. В зависимости от напряжения, подаваемого на образец, температура проволоки может меняться в широких пределах. Длина молибденовой нити l составляет 0,1 м, а ее диаметр d равен 0,05 мм. Калориметр выполнен с двойными стенками, между которыми циркулирует охлаждающая вода. Значительный расход воды обеспечивает постоянство температуры поверхности внутренней полости калориметра, которая является тепловоспринимающей. Диаметр внутренней полости калориметра значительно больше диаметра проволоки. Для снижения тепловых потоков, передаваемых от нагретой проволоки к стенкам сосуда путем конвекции и теплопроводности, в сосуде создан вакуум (остаточное давление воздуха в сосуде не превышает 10^-5 мм рт. ст.). При этих условиях можно считать, что нагретая проволока передает тепло стенкам сосуда только излучением.

 

Рис. 8.1. Схема опытной установки по определению степени черноты образцов

1 – стеклянный калориметр; 2 – исследуемый образец; 3 – вольтметр; 4 – амперметр; 5 – регулятор напряжения; 6 – насос; 7 – хромель-копелевые
термопары

 

Электрическое напряжение U подается к молибденовой нити через регулятор напряжения - понижающий трансформатор 5 и измеряется цифровым вольтметром 3, установленными на пульте управления № 1. Сила электрического тока, проходящего через молибденовую нить, измеряется цифровым амперметром 4, расположенным также на пульте управления № 1. Показания цифровых вольтметра и амперметра может быть также сняты с экрана монитора.

Вода прокачивается через стеклянный калориметр насосом 6. Температура воды на входе tвх и выходе tвых из калориметра измеряется хромель-копелевыми термопарами 7. Электродвижущая сила термопар преобразуется в температуру, значение которой может быть снято с экрана монитора или с на пульта управления № 4.

Перед проведением исследования лаборант или преподаватель, проводящий лабораторные занятия, устанавливает на стенд модель опытной установки, подключает модель к согласующему устройству, а затем включает компьютер. Из главного меню компьютера вызывается имитационная модель лабораторной установки «Исследование лучистого теплообмена».

При проведении эксперимента лаборант или преподаватель регулирует напряжение, подаваемое на исследуемый образец. Рекомендуется устанавливать напряжение U, подводимое к молибденовой нити, в диапазоне от 1,0 до 8,0 В. Студенты для каждого из задаваемых режимов фиксируют либо с экрана монитора, либо на цифровых приборах пультов управления (№ 1, 4) параметры опытов и записывают их в таблицу опытных данных (табл.8.1).  Затем по примеру обработки данным лабораторной работы заполняет таблицу 8.2 (пример заполнения таблицы 8.2. в таблице 8.4.).

Таблица 8.1

Опытные данные по исследованию лучистого теплообмена

Наименование величины	Номер опыта
	1	2	3
Напряжение, подводимое к молибденовой нити, U, В
Сила тока, проходящего через исследуемый образец, I, А
Длина молибденовой нити l, м
Диаметр молибденовой нити d, м
Температура воды на входе в калориметр t вх, ^0С
Температура воды на выходе из калориметра t вых, ^0С

 

Таблица 8. 2

Характеристики контрольного опыта по исследованию лучистого теплообмена, полученные расчетным путем

 

Наименование величины			Номер опыта
			1	2	3
Средняя температура поверхности исследуемого образца		, ^0С
		, К
Тепловой поток, передаваемый за счет лучистого теплообмена,
Средняя температура тепловоспринимающей поверхности	, ^0С
	, К
Степень черноты наружной поверхности молибденовой нити

 

 

Число опытов определяется преподавателем, проводящим лабораторные занятия.

 

Пример выполнения лабораторной работы и обработка результатов экспериментального исследования

Контрольные опыты по экспериментальноеопределение степени черноты тонкой молибденовой проволоки и зависимости значения степени черноты исследуемого образца от температуры проводились на трех режимах. При проведении эксперимента на исследуемый образец подавалось напряжение U: 1,374; 2,647 и 8,399 В. Опытные данные, полученные с помощью контрольно-измерительных приборов в процессе эксперимента, представлены в табл. 8.3.

 

Таблица 8. 3

Данные примера контрольного опыта по исследованию

лучистого теплообмена

Наименование величины	Номер опыта
	1	2	3
Напряжение, подводимое к молибденовой нити U, В	1,374	2,647	8,399
Сила тока, проходящего через образец I, А	0,794	1,213	2,560
Длина молибденовой нити l, м	0,1	0,1	0,1
Диаметр молибденовой нити d × 10^5, м	5,0	5,0	5,0
Температура воды на входе в калориметр t вх, ^0С	15,82	15,83	16,32
Температура воды на выходе из калориметра t вых, ^0С	17,12	16,83	17,52

 

Обработка опытных данных начинается с определения температуры поверхности исследуемого образца t ₁, которая определяется по эмпирической зависимости [2]

,                                               (8.6)

где R_t – электрическое сопротивление образца, Ом, R_t = U / I.

 

Первый опыт: R_t = U / I = 1,374/0,794 = 1,73 Ом;

 или T ₁ = 1893 К.

Второй опыт: R_t = U / I = 2,647/1,213 = 2,18 Ом;

 или T ₁ = 2283 К.

Третий опыт: R_t = U / I = 8,399/2,560 = 3,28 Ом;

 или T ₁ = 3237 К.

    Количество теплоты, выделяемое в единицу времени нагретой молибденовой нитью, по которой проходит электрический ток, определяется по закону Джоуля-Ленца

.                                                (8.7)

    Так как в сосуде, в котором находится исследуемый образец, создан вакуум (остаточное давление воздуха в сосуде не превышает 10^-5 мм рт. ст.) можно считать, что нагретая проволока передает тепло стенкам сосуда только излучением

.

При этом для контрольного исследования значение теплового потока, передаваемого за счет лучистого теплообмена, составит:

Первый опыт:

Второй опыт:

Третий опыт:

    Температура тепловоспринимающей поверхности определяется как средняя температура охлаждающей поверхность воды

 или .

Первый опыт:  или T ₂ = 290 К.

Второй опыт:  или T ₂ = 289,5 К.

Третий опыт:  или T ₂ = 290 К.

В связи с тем, что площадь тепловоспринимающей поверхности (поверхности внутренней полости калориметра) значительно больше площади наружной поверхности исследуемого образца (молибденовой проволоки) F ₂ >> F ₁, значение приведенной степени черноты системы ε _1,2, исходя из соотношения (5), можно принять равной значению степени черноты наружной поверхности молибденовой нити ε ₁

.

При этих условиях, исходя из соотношения (4), степень черноты наружной поверхности молибденовой нити ε ₁ может быть определена по формуле

,                               (8.8)

где F ₁ – площадь наружной поверхности молибденовой нити,

.

При этом для контрольного исследования степень черноты наружной поверхности молибденовой нити принимает значения:

Первый опыт: .

Второй опыт: .

Третий опыт: .

 

По результатам обработки опытных данных заполняется таблица 8.4.

Таблица 8. 4

Характеристики контрольного опыта по исследованию лучистого теплообмена, полученные расчетным путем

 

Наименование величины			Номер опыта
			1	2	3
Средняя температура поверхности исследуемого образца		, ^0С	1620	2010	2964
		, К	1893	2283	3237
Тепловой поток, передаваемый за счет лучистого теплообмена,			1,093	3,211	21,50
Средняя температура тепловоспринимающей поверхности	, ^0С		16,5	16,3	16,9
	, К		290	289,5	290
Степень черноты наружной поверхности молибденовой нити			0,096	0,132	0,220

 

Как показывают результаты экспериментального исследования, с ростом температуры наблюдается рост степени черноты наружной поверхности молибденовой проволоки, что подтверждается и в литературных источниках [3]. Далее в программе Exel произведем обработку данных и получим эмпирическую зависимость значений степени черноты от температуры. Так для данных примера была получена  зависимость степени черноты наружной поверхности молибденовой нити ε ₁ от температуры образца Т₁

 

.                                   (8.9)

 

и результаты расчетов  представлены в виде графика (рис. 8.2) построенного в Exel с линией тренда, степенью приближения, уравнением, соотношение (8.9) описывает опытные данные с точностью ± 1 %.

Рис. 8.2. Зависимость степени черноты наружной поверхности молибденовой нити ε ₁ от температуры образца T ₁

 

 

Форма отчетности.

 

1. Краткое описание лабораторной работы. Цель, задачи.

2. Схема установки рис.8.1..

3. Результаты измерений и расчетов.Табл.8.1, 8.2, график типа рис.8.2.

4. Анализ результатов и выводы.

 

Контрольные вопросы

1. Какова цель лабораторной работы?

2. В чем заключается содержание лабораторной работы?

3. Что называется лучистым теплообменом?

4. Приведите математическое выражение закона Стефана-Больцмана для абсолютно черного тела, серых тел.

5. Как определяется степень черноты серых тел?

6. Чему равна и в каких единицах измеряется постоянная Стефана-Больцмана?

7. Чему равна и в каких единицах измеряется коэффициент излучения абсолютно черного тела?

8. В каком диапазоне изменяются значения степени черноты различных тел?

9. Функцией каких параметров является степень черноты тел?

10. В каких единицах измеряется поверхностная плотность потока интегрального теплового излучения E?

11. Из какого соотношения определяется результирующий поток теплового излучения между телами любой формы при произвольном их расположении в пространстве?

12. По какому соотношению определяется приведенная степень черноты системы, состоящей из тела и оболочки, между которыми происходит теплообмен через прозрачную среду?

13. Чему равна приведенная степень черноты системы, состоящей из тела и оболочки, при условии, если площадь поверхности оболочки значительно больше площади поверхности тела F₂ >> F₁?

14. При каком условии при теплообмене излучением между телом и оболочкой приведенная степень черноты системы можно принять равной ε _1,2 @ ε ₁?

15. Укажите главную часть установки по исследованию лучистого теплообмена.

16. Каким образом поддерживается постоянная температура тепловоспринимающей поверхности?

17. Каким образом нагревается исследуемый образец?

18. С какой целью во внутреннем сосуде калориметра создается вакуум?

19. По какому соотношению определяется тепловой поток, передаваемый от исследуемого образца Q @ Q_л?

20. Какой вид имеет зависимость степени черноты наружной поверхности молибденовой нити ε ₁ от температуры образца T₁?

21. Каким образом снижается тепловой поток от исследуемого образца, передаваемый за счет конвективного теплообмена?

22. Какие характеристики во время проведения лабораторной работы определяются экспериментальным путем?

23. По какому соотношению определяется электрическое сопротивление образца?

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9