Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Теоретична частина. Визначення ступеня чорноти тіла відносним методом
|
|
Лабораторна робота № 4
1. Тема роботи
Визначення ступеня чорноти тіла відносним методом
2. Навчальна мета роботи
• Поглибити розуміння законів передачі тепла випромінюванням.
• Ознайомитися з теорією і практикою визначення ступеня чорноти
матеріалів відносним методом.
• Розвити навички проведення самостійних досліджень.
• Навчитися практично визначати ступінь чорноти зразка будівельного
матеріалу.
• Поглибити навички аналізу експериментальних результатів.
Теоретична частина
Передача тепла випромінюванням є одним з шляхів розповсюдження теплової енергії. Така передача тепла проходить в три етапи:
• випромінювання одним тілом електромагнітних хвиль:
• розповсюдження електромагнітних хвиль в просторі:
• поглинання електромагнітних хвиль другим тілом.
Таким чином, суттєвою ознакою променевого теплообміну є участь в ньому електромагнітних хвиль. Електромагнітні хвилі характеризуються довжиною хвилі l [м].В залежності від довжини хвилі їх поділяють на групи:
• радіохвилі (l > 200 мкм):
• інфрачервоні хвилі (l = 0.8...200 мкм):
• видиме світло (l = 0.4...0.8 мкм):
• ультрафіолетові хвилі (l = 0.02...0.4 мкм).
Енергія Е [Дж] електромагнітної хвилі зворотно пропорційна довжині цієї хвилі:
(4.1)
де h=6.63*10-34 Дж*с - постійна Планка, C=3*108 м/с - швидкість світла.
Передача тепла випромінюванням здійснюється інфрачервоними хвилями, які називають ще тепловими. В інтервалі звичайних температур кожне тіло є джерелом випромінювання інфрачервоних хвиль. Це пов'язано з тим, що молекули (атоми) кожної речовини знаходяться в постійному хаотичному тепловому русі -поступальному, коливальному і обертальному. Оскільки молекули (атоми) мають заряджені частини (електрони і ядра), то їх хаотичний рух є фактично хаотичним рухом зарядів. Як відомо, рух зарядів приводить до виникнення електромагнітних хвиль. Це і є причиною випромінювання тіл.
Оскільки тепловий рух молекул (атомів) є хаотичним і має три складових - поступальну, коливальну і обертальну, то кожне тіло одночасно випромінює хвилі різних енергій (довжин хвилі). Розподіл енергії випромінювання за довжиною хвилі описують законом Планка:
(4.2)
де Il - інтенсивність випромінювання хвиль з довжиною l: Т - абсолютна температура тіла: С1 і С2 - сталі. Графічна ілюстрація закону Планка наведена на рисунку 4.1. 
Рисунок 4.1. Графічна ілюстрація закону Планка.
З закону Планка можна зробити два провідних висновки:
• при збільшенні температури тіла воно випромінює хвилі з меншою довжиною і більшою енергією:
• при збільшенні температури тіла, яке випромінює, загальна енергія випромінювання збільшується.
Температурну залежність довжини хвилі l мах [мкм], на яку припадає максимум випромінюваннятіла називають законом Віна:
 |
(4.3)
Графічна ілюстрація закону Віна наведена на рисунку 4.2.
Рисунок 4.2. Графічна ілюстрація закону Віна.
З закону Віна можна зробити два провідних висновки:
• при збільшенні температури тіла воно випромінює хвилі з меншою довжиною:
• за умов пожежі тіла випромінюють інфрачервоні хвилі з максимумом випромінювання в діапазоні lмах = 2…6 мкм.
Щільність потоку теплового випромінювання тіла збільшується пропорційно четвертій степені його температури згідно закону Стефана - Больцмана:
(4.4)
де q - щільність потоку теплового випромінювання Вт/м2, Cо = 5.67 Вт/(м2К4) - стала випромінювання абсолютно чорного тіла: Т - абсолютна температура тіла: e- ступінь чорноти тіла.
Графічна ілюстрація закону Стефана - Больцмана наведена на рисунку 4.3. З закону Стефана -Больцмана можна зробити такі висновки:
• за умов пожежі променевий теплообмін може бути суттєвим шляхом розповсюдження теплоти тому, що факел полум'я випромінює тепловий потік значної щільності (200...300 кВт/м2);
• інтенсивність теплового потоку випромінювання залежить від природи тіла, а саме ступеня його чорноти.
Рисунок 4.3 Графічна ілюстрація закону Стефана - Больцмана.
Щільність потоку теплового випромінювання тіла залежить від напрямку випромінювання (рис.4.4). Ця залежність підпорядковується закону Ламберта.
qw=qncosw (4.5)
де qn - щільність потоку теплового випромінювання в напрямку нормалі до поверхні випромінювання, qw - щільність потоку теплового випромінювання під кутом w до нормалі.
Рисунок 4.4. До формулювання закону Ламберта.
Виходячи з законів Стефана - Больцмана і Ламберта можна зробити висновок, що інтенсивність променевого теплообміну між двома тілами залежить від температури тіл, їх ступеня чорноти і взаємного розташування. В загальному випадку при променевому теплообміні між двома тілами щільність теплового потоку може бути обчислена за рівнянням:
(4.6)
де q - щільність теплового потоку від гарячого до холодного тіла Вт/м2,
Сo = 5.67 Вт/(м2К4) - стала випромінювання абсолютно чорного тіла;
Т1 і Т2 - абсолютні температури відповідно гарячого і холодного тіла;
en - приведена ступінь чорноти системи тіл;
y - коефіцієнт опромінення (залежить від геометрії і взаємної орієнтації тіл).
Приведену ступінь чорноти системи тіл обчислюють за рівнянням:
(4.7)
де e1 і e2 - ступені чорноти, відповідно, гарячого і холодного тіла:
S1 і S2 - площі відповідно гарячого і холодного тіла.
Таким чином, ступінь чорноти тіла є важливою характеристикою, яка визначає інтенсивність його променевого теплообміну з іншими тілами, зокрема за умов пожежі. Ступені чорноти деяких речовин і будівельних матеріалів наведені в таблиці 4.1.
Таблиця 4.1. Ступені чорноти деяких речовин і будівельних матеріалів.
| Речовина (матеріал) | e | Речовина (матеріал) | e |
| Метали поліровані | 0.02...0.1 | Важкий бетон | 0 65 |
| Метали окислені | 0.4...0.8 | Штукатурка | 0.93 |
| Азбест | 0.95 | Деревина | 0.9 |
| Папір | 0.8...0.9 | Фарби | 0.92...0.96 |
| Червона цегла | 0.93 | Сажа | 0.95 |
| Силікатна цегла | 0.8...0.9 | Тканини | 0.5...0.8 |
4. Метод вимірювання
Відносний метод вимірювання ступеня чорноти тіла ґрунтується на використанні двох еталонний зразків, ступені чорноти яких відомі заздалегідь. При цьому зразок що досліджується і еталонні повинні мати однакову геометрію і площу. Зразки розташовують перпендикулярно дії теплового потоку опромінення q
(рис. 4.5). Умови опромінення зразків мають бути однакові.
Рисунок 4.5. Умови вимірювання ступеня чорноти тіла відносним методом: 1 - досліджуемий (сірий), і еталонні зразки (білий і чорний), 2 – джерело опромінення.
Розглянемо теплообмін між джерелом опромінення і зразками. Для кожного зразка можна скласти рівняння теплового потоку опромінення аналогічно рівнянню (4.6). Тепловий потік приводить до нагрівання зразка. Кінцева температура зразка стає сталою коли кількість тепла, яке потрапляє до зразка шляхом опромінення стає рівним кількості тепла, яке витрачає зразок в довкілля шляхом конвекції. Тому температуру кожного і - го зразка можна обчислити з рівняння теплового балансу:
(4.8)
де aі - коефіцієнт тепловіддачі поверхні зразка.
Таким чином, кінцева температура зразка залежить від його ступеня чорноти, коефіцієнту опромінення, коефіцієнту тепловіддачі поверхні, температури джерела опромінення і температури повітря:
Ті =ƒ (eпі, yі , a1 , Тджерела , Тповітря)
Відносний метод визначення ступеня чорноти зразка що досліджується ґрунтується на вимірюванні температури зразків за умов теплової рівноваги і розв'язанні системи рівнянь типу (4.9), складеної для досліджуємого і еталонних зразків відносно невідомого ступеня чорноти досліджуємого зразка.
(4.10)
де індекс х відноситься до зразка що досліджується, індекси 0 і 1 - відповідно до «білого» (e ~ 0) і «чорного» (e ~ 1) зразків.
Точне розв'язання такої системи неможливе. Але з задовільною для практичних потреб точністю розв'язанням системи (4.10) можна вважати рівняння:
(4.11)
де eх - ступінь чорноти зразка що, t0, t1, tx - температури відповідно «білого» (e ~ 0), «чорно» (e ~3) і зразка що досліджується.
Таким чином, якщо виміряти рівноважні за умов опромінення температури зразків, можна за рівнянням (4.11) обчислити ступінь чорноти досліджуємого зразка.
5. Експериментальна установка
Експериментальна установка (рис. 4.6.) складається з досліджуємого 1 і двох еталонних 2, 3 зразків розміром 15х100 мм.
Рисунок 4.6. Схема експериментальної установки: 1 – зразок що досліджується, 2, 3 - еталонні зразки («білий» і «чорний»), 4 - джерело опромінення,
5 - термодатчики, 6 - пристрій для вимірювання температури.
Поверхню еталонних зразків оброблено для надання відповідного ступеня чорноти. Зразки розташовані в одній площині, перпендикулярно до дії теплового потоку опромінення. Джерело теплового потоку опромінення 4 виконано у вигляді електричної лампи розжарювання циліндричної форми. Термодатчики 5 розташовані на зворотній поверхні зразків. Термодатчики можуть бути послідовно ввімкненими до вимірювального пристрою 6 для вимірювання температури зразків.