Определение коэффициента излучения электропроводящих материалов калориметрическим методом

 

1. Цель лабораторной работы

Экспериментально определить величину коэффициента излучения элек­тропроводящего материала и исследовать влияние температуры материала на величину коэффициента излучения.

 

2. Пояснения к работе

Величина коэффициента излучения используется при проведении расче­тов лучистого теплообмена. Коэффициент излучения поверхности тела зависит от многих факторов: от материала тела, вида и цвета поверхности, и т.д. По­этому коэффициент излучения определяют опытным путем. Данный метод ос­нован на непосредственном измерении потока результирующего излучения и относится к абсолютным методам /1,2/. Форма исследуемого образца может быть различной. Но при этом необходимо, чтобы поверхность системы, в ко­торую помещен образец, была значительно больше поверхности последнего. Для полу­чения достоверных результатов необходимым условием является достижение стационарного теплового процесса.

3. Порядок проведения работы

После включения установки в сеть, введения и запуска про­граммы на ви­деомониторе высвечивается тема лабораторной ра­боты и отображается схема рабочего участка моделируемой экспе­риментальной установки (рис.12).

Опытный образец 1, представляющий собой тонкую проволоку из испы­туемого материала, закреплен концами в токоподводах 2 малого электриче­ского сопротивления. Токоподводы запаяны в стеклянный тонкостенный цилин­дрический сосуд 3 с двойными стенками, образующими вдоль всего участка проточную охлаждающую водяную рубашку 4. Циркуляция воды в системе ох­лаждения осуществляется насосом 11, подключенным к сети 220В через вы­ключатель 12. Датчики температуры 5 и 6 предназначены для измерения темпе­ратуры воды на входе t_2вх и на выходе t_2вых из охлаждающей рубашки. Внутреннее пространства сосуда вакуу­мировано с целью исключения теплообмена теплопроводностью и конвекцией ме­жду опытным образцом и внутренней поверхностью сосуда выполнено.

Опытный образец через выключатель электрического питания нагрева­теля 7 подключен к источнику тока низкого напряжения 5В. Ток нагрева регу­лируется с помощью реостата 8. Для измерения падения напряжения непосред­ственно на образце (U) и тока нагрева (I) в схему установки входят вольтметр 9 и амперметр 10. Длина рабочего участка опытного образца между токоподво­дами составляет L =0,2 м, диаметр – d =2 мм. Поток собственного теплового излучения от поверхности опытного об­разца направлен к внутренней поверхности стеклянного сосуда.

Лабораторную работу рекомендуется выполнять в следующем порядке: на экране монитора в строке «Меню » с помощью команды «Параметры » вы­брать материалобразца: (медь или вольфрам).

С помощью реостата 8, установить ток нагрева образца (для медной проволоки рекомендуется тока нагрева – 15 – 30А, а для вольфрамовой прово­локи – 20 – 60 А) Напряжение на нагреваемой проволоке и сила тока в цепи ре­гистрируются вольтметром 9 и амперметром 10. В процессе настройки режима эксперимента на экране автоматически регистрируются значения температур охлаждающей воды (t_2вх и t_2вых). Разность этих температур не должна превы­шать 1- 1,5 ^оС.

 

 

 

 

12 4

7 4

108

 

Рис 12

1– проволока из испытуемого материала; 2 – токоподводы; 3 – стеклянный сосуд; 4 - водяная рубашка; 5 и 6 – датчики температуры; 7 – выключатель электрического питания насоса; 8 – реостат; 9 - вольтметр; 10 - амперметр;

11 – насос; 12– выключатель электрического питания нагреваемой проволоки.

 

 

Результаты измерений, выполненные на четырех тепловых режимах, студенты заносят в протокол лабораторной работы (табл. 5).

 

Таблица 5 – Протокол лабораторной работы

№ опыта	Напряжение U, В	Сила тока I, А	Температура воды
t2вх, ^оС	t2вых, ^оС

 

4. Обработка результатов опытов

 

Так как площадь поверхности испытуемого образца (F₁) много меньше поверхности, окружающей его оболочки (F₂), а среда между ними диатермична, то коэффициент излучения опытного образца может быть определен по фор­муле:

, Вт/(м²×К⁴), (37)

Q – результирующий поток теплового излучения, Вт; F₁=p·d×L – площадь поверхности образца, м²; Т₁ и Т₂ - средние температуры излучающей и тепловоспринимающей поверхностей, К.

Величина результирующего потока теплового излучения определяется по формуле:

Q = U×I, Вт. (38)

 

Температура поверхности опытного образца определяется по формулам:

 

для меди: Т₁ =194· (ρ ·10⁸)^0.853 ;

для вольфрама: Т₁ =4,65·(ρ ·10⁷)⁴ – 90,3·(ρ ·10⁷)³+ 590·(ρ ·10⁷)² – 1107·(ρ ·10⁷) +974;

 

где: r - удельное сопротивление материала опытного образца.

Удельное сопротивление материала опытного образца определяется по формуле:

r=R×S/L, Ом×м, (39)

где: S=pd²/4 - площадь поперечного сечения проволоки, м², R=U/I - сопротив­ление опытного образца проволоки, Ом.

Температура тепловоспринимающей поверхности стеклянной стенки определяется по формуле:

Т₂=(t_вх2+ t_вых2)/2+273, К. (40)

Степень черноты поверхности опытного образца определяется по формуле:

e₁=С₁/С₀, (41)

где: С₀=5,67 Вт/(м²×К⁴)- коэффициент излучения абсолютно черного тела.

 

Результаты расчетов заносятся в табл. 6

Таблица 6 – Результаты обработки экспериментальных данных

№ опыта	r, Ом×м	Т1 К	Т2 К	Q Вт	С1 Вт/(м^2 К^4)	e

 

По данным табл.6 построить графическую зависимость коэффициента излучения от температуры поверхности испытуемого образца. Оценить сходимость полученных значений коэффициентов степени черноты со справочными данными /1/.

 

5. Содержание отчета

В отчете приводится цель работы, схема рабочего участка модели­руемой экспериментальной установки, таблица замеров, резуль­таты расчетов, график зависимости e= f (T₁).

 

Вопросы для самопроверки

1. Какие существуют виды электромагнитного излучения?

2. Каковы особенности теплового излучения, твердых тел, жидкостей и газов?

3. Что такое поток результирующего излучения?

4. Сформулируйте закон Стефана- Больцмана для абсолютно черного и «серого» тел?

5. Какие цели преследует вакуумирование внутренней полости стеклянного сосуда?

6. Какая поверхность калориметра (сосуда) является лучевоспринимающей?

7. Почему в лабораторной установке опытные образцы имеют форму проволоки (цилиндр с малым диаметром), а не какую-либо другую?

8. Назовите условия наступления стационарного теплового режима.

9. Почему в лабораторной установке разность температур t_2вх и t_2вых у охлаждающей воды не должна превышать 1-1,5^оС?

10. Каков физический смысл коэффициента излучения.

 

Рекомендуемая литература.

№	Перечень основной и дополнительной литературы
	Карминский В.Д. Техническая термодинамика и теплопередача: учебник; Рост. гос. ун-т путей сообщения. Ростов н/Д, 2000.
	Теплотехника, под ред. А.П. Баскакова, М., Энергоатомиздат, 1991
	Теплотехника, под ред. А.М. Архарова, М., Машиностроение, 1986.
	Техническая термодинамика, под ред. В.И. Крутова. – М.: Высш. шк., 1991
	Исаченко В.П. и др. Теплопередача. М. Энергоатомиздат, 1988
	Определение коэффициента излучения электропроводящих материалов калориметрическим методом при имитационном моделировании процесса теплообмена: Методические указания к лабораторной работе/ Б.М. Калмыков. М.: МАИ, 1990. 28 с.
	Лабораторный практикум по термодинамике и теплопередаче: Учеб. пособие/ Под ред. В.И. Крутова, Е.В. Шишова. М.: Высш. шк., 1988. 216 с