Излучение ИК. излучение фед. Лабораторная работа 1 По дисциплине Металлургическая теплотехника и основы печных технологий
 Скачать 1.08 Mb.
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра металлургии Лабораторная работа №1 По дисциплине: Металлургическая теплотехника и основы печных технологий (наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)  Тема работы: ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ИЗЛУЧЕНИЕМАвтор: студенты гр. МЦ-20 / Мадатова З.Р., Абрамова У.В., Коржев К.А., Марфина А.О./ (Ф.И.О.) (подписи) Проверил: ассистент /Федоров А.Т./ (должность) (подпись) (Ф.И.О.) Санкт-Петербург 2022 Цель работы: изучение теплообмена излучением и определение степени черноты излучающего тела. Краткое теоретическое содержание: Теплообмен излучением (лучистый, радиационный теплообмен), осуществляется в результате процессов превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса энергии излучения и её поглощения веществом. Интенсивность этого обмена определяется взаимным расположением в пространстве тел, обменивающихся теплом, а также свойствами поверхностей тел и среды, разделяющей эти тела. При этом любое тело, температура которого отлична от абсолютного нуля, испускает энергию, обусловленную нагревом тела. Это излучение называется собственным излучением тела. Теплообмен излучением осуществляется посредством электромагнитных волн. В камерах нагревательных печей на его долю приходится 90-95% суммарного теплообмена. Электромагнитные волны распространяются прямолинейно со скоростью света и подчиняются оптическим законам преломления, поглощения, отражения. Источником этих волн являются материальные частицы, входящие в состав вещества. Для распространения электромагнитных волн не требуется материальной среды. В вакууме они распространяются со скоростью света и характеризуются длиной волны λ или частотой колебаний ν. При температуре до 1500 °С основная часть энергии соответствует инфракрасному и частично световому излучению (λ=0,7 - 50 мкм). В общем спектре инфракрасного излучения выделяют (ИК) область излучения ближней ИК-области (λ=0,76 - 1,5 мкм); средней (1,5 - 10 мкм) и дальней (10 - 1000 мкм). При температурах до 1800 °С основная доля мощности излучения приходится на инфракрасную область спектра, не видимую глазом человека. Следует отметить, что энергия излучения испускается не непрерывно, а в виде определенных порций -квантов. Носителями этих порций энергии являются элементарные частицы излучения - фотоны, обладающие энергией, количеством движений и электромагнитной массой. При попадании на другие тела энергия излучения частично поглощается ими, частично отражается и частично проходит сквозь тело. Процесс превращения энергии излучения во внутреннюю энергию поглощающего тела называется поглощением. Большинство твердых и жидких тел имеют сплошной спектр излучения. Газы испускают энергию только в определенных интервалах длин волн (селективный спектр излучения). Твердые тела излучают и поглощают энергию поверхностью, а газы -объемом. Излучаемая в единицу времени энергия в узком интервале изменения длин волн Δλ называется потоком монохроматического излучения Qλ. Поток излучения, соответствующий всему спектру, называется интегральным, или полным, лучистым потоком Q (Вт). Интегральный лучистый поток, излучаемый с единицы поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства, называется плотностью интегрального излучения (Вт/м2). Каждое тело не только излучает, но и поглощает лучистую энергию. Из всего количества падающей на тело лучистой энергии (Qпад) часть ее (Qпог) поглощается, часть (Qот) отражается и часть (Qпр) проходит сквозь тело. При этом A+R+D=l, где А - коэффициент поглощения; R - коэффициент отражения, D -коэффициент пропускания. Если тело поглощает все падающие на него лучи, то есть A=l , R=0, D=0, оно называется абсолютно черным. Если вся падающая на тело энергия отражается, то R= l , А=0, D=0. Если при этом отражение подчиняется законам геометрической оптики, тело называется зеркальным; при диффузном отражении, 1,огда отраженная лучистая энергия рассеивается по всем направлениям, -абсолютно белым. Если D=l , то А=0 и R=0. Такое тело пропускает все падающие на него лучи и называется абсолютно прозрачным. В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует. При расчетах лучистого теплообмена между телами большое значение имеет результирующее излучение, представляющее собой разность между лучистым потоком, получаемым телом, и лучистым потоком, который оно испускает в окружающее пространство. Часто теплотехнические расчеты ведут на основе допущения излучения серых тел, имеющих непрерывный спектр излучения. Такое допущение упрощает решение многих теплотехнических задач, которые без него были бы неразрешимы. Собственное излучение большей части поверхностей, участвующих в теплообмене, действительно близко к серому, за исключением газов, излучение которых сугубо селективное. Для определенной длины волны отражательная, пропускная, поглощательная способности тел характеризуют спектральные коэффициенты поглощения Aλ, отражения Rλ, пропускания Dλ. Большинство белых поверхностей в видимом диапазоне волн обладают большим коэффициентом отражения Rλ= 0,7 - 0,9, а в ИК-диапазоне волн ведут себя как черные тела в связи с большим коэффициентом поглощения электромагнитных волн именно в этом диапазоне. Порядок выполнения работы: Установка (рис. 1) представляет собой три тепловые мишени диаметром 165 мм - 180 мм (в зависимости от комплектации) с электронагревателями, последовательно включенными в электрическую цепь. Нагреватели имеют одну и ту же мощность, одинаковым образом расположены на лицевой панели установки. Они отличаются друга лишь состоянием излучающей поверхности. Первая мишень имеет черную закрашенную поверхность, вторая закрашенную белую, третья - полированную металлическую. В центре каждой мишени с внутренней стороны нагревателя зачеканены хромель - копелевые термопары. Электрический сигнал с термопар подается на цифровые измерители температуры (2,5). В таблице 1 описаны сигналы, отображаемые на дисплеях измерителей. Сигнал с измерителей поступает в компьютер через преобразователь. Одновременно эта же температура с наружной стороны мишени может поочередно контролироваться с помощью инфракрасного термометра с лазерным указателем участ1ш излучающей поверхности (8). ИК- термометр закреплен на подвижной каретке с нейлоновыми втулками, свободно перемещающейся по двум горизонтальным направляющим (9), таким образом, что центры всех трех мишеней оказываются на линии перемещения лазерного пятна.  Рис.1. Схема лабораторной установки: 1- автотрансформатор (ЛАТР), 2 - защитная панель, 3 -мишени, 4,5 - цифровой измеритель ТРМ 200. Таблица 1 - Описание сигналов, отображаемых измерителями ТРМ 200
1. Включили питание установки с помощью автомата «Сеть 220 В». 2.Включили компьютер и запустили программу проведения лабораторной работы командами Пуск-> Программы-> MeasLAB->«ИK излучение». 3. Установили ИК-термометр, таким образом, чтобы лазерное пятно совпадало с центром первой мишени. 4. На ЛАТР вывели напряжение на 90 В. 5. Определили и зафиксировали в таблице 2 температуру окружающей среды Т0. 6. В течение 5 минут наблюдали на лицевой панели компьютерной системы измерения показания термопар (на многолучевом графике) Т1 - черной, Т2 - белой, Т3 - полированной мишеней, закрепленных с внутренних сторон мишеней. 7. Сравнили показания термопар и показаний ИК-термометра. 8. Увеличили температуру нагрева мишеней до 100, 120 °С. 9.Обработали полученные данные по всем мишеням и определили степень черноты εј для каждой при разных температурах их поверхностей (при этом температура берется в Кельвинах) Таблица 2. Результаты эксперимента
Т0 = 293К – температура окружающей среды. Т1 = 298К – температура поверхности мишени (измеряется термопарой). U = 14,5В – падение напряжения на мишенях, измеряется понижающим трансформатором и платой АЦП Расчетные формулы: Степень черноты:    где Тч, Тб, Тп – температура черной, белой и полированной поверхностей соответственно, измеренные термопарой; Тикч, Тикб, Тикп – температура черной, белой и полированной поверхностей соответственно, измеренные ИК пирометром. Уравнение Стефана-Больцмана  где Q – результирующий поток излучения,  Вт, R – общее сопротивление всех последовательно соединенных мишеней и равно 78 Ом, S – площадь поверхности мишени,  , r – радиус мишени 0,16м.Пример расчета:   По справочным данным постоянная Стефана-Больцмана = 5,67  По графикам зависимостей можно понять, что чем больше разность температур, измеренных термопарой и ИК-пирометром, тем меньше коэффициент степени черноты.  Рис.2. График черной мишени  Рис.3. График белой мишени  Рис.4. График полированной мишени Вывод: в ходе выполнения данной лабораторной работы изучили теплообмен излучением и определили степени черноты излучающего тела. Поняли, что чем больше разность температур, измеренных термопарой и ИК-пирометром, тем меньше коэффициент степени черноты. Значения коэффициентов степени черноты, полученные в итоге, практически совпадают со справочными.  Рис.5. Степень черноты различных поверхностей. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||