laboratorium techniki cieplnej

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ
WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA
I ENERGETYKI
POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
INSTRUKCJA LABORATORYJNA
Temat ćwiczenia:
WYZNACZANIE EMISYJNOŚCI POWIERZCHNI
CIAŁ STAŁYCH
Wyznaczanie emisyjności powierzchni ciał stałych
2
1. PODSTAWY TEORETYCZNE
W ujęciu fenomenologicznym wymiana ciepła przez promieniowanie polega na
przekształcaniu energii wewnętrznej w energię fal elektromagnetycznych promieniowania
termicznego, które przedostaje się przez ośrodek przezroczysty do drugiego ciała, gdzie
energia promieniowania ulega ponownemu przekształceniu na energię wewnętrzną.
W ujęciu statystycznym wymiana ciepła przez promieniowanie traktowana jest jako
przenoszenie energii przez fotony, które opuszczają wzbudzone atomy i poruszają się do
momentu pochłonięcia przez inne atomy.
Promieniowanie ciała składa się zwykle z promieniowania własnego (emisji własnej) oraz
promieniowania odbitego. Strumień emisji E& odniesiony do pola powierzchni emitującej A
nazywane jest gęstością strumienia emisji e& :
e& =
dE&
.
dA
(1)
Gęstość strumienia emisji dla ciała doskonale czarnego określa prawo Stefana-Boltzmanna:
4
 T 
e& C = C
 ,
 100 
(2)
gdzie C = 5.6693 W/(m2K4) jest stałą promieniowania.
Ciała stałe odbiegają na ogół dość znacznie od modelu ciała doskonale czarnego. Ich zdolność
emisji charakteryzowana jest przez emisyjność ε będącą stosunkiem gęstości strumienia
emisji danego ciała e& do gęstości strumienia emisji ciała doskonale czarnego e& C :
ε=
e&
.
e& C
(3)
Emisyjność ciał stałych może w ogólności zależeć od kierunku, długości fali i temperatury.
Ciała stałe, dla których emisyjność jest niezależna od kierunku i długości fali noszą nazwę
ciał dyfuzyjnie szarych.
2. OPIS STANOWISKA I METODA POMIARU
W ćwiczeniu wykorzystano metodę porównawczą pozwalającą określić emisyjność
badanej powierzchni na podstawie znanych emisyjności innych powierzchni. Schemat
stanowiska przedstawiono na rysunku 1.
Urządzenie składa się z trzech odcinków rur o średnicy d = 12 mm i długościach
l = 300 mm i o różnych emisyjnościach. Dwa odcinki mają znane emisyjności. Dla odcinka
poczernionego emisyjność wynosi ε1 = 0.97, a dla chromowanego ε2 = 0.08. Badany odcinek
wykonany jest z miedzi, której emisyjności poszukujemy. Rura ogrzewana jest od wewnątrz
grzałką elektryczną. Do każdego z odcinków rury przylutowane są trzy termopary Ni-CrNi
służące do określenia średniej temperatury powierzchni.
Instrukcja laboratoryjna
LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
Wyznaczanie emisyjności powierzchni ciał stałych
3
3
3
1
6
3
2
W
o
C
7
4
5
Rys. 1 Schemat stanowiska pomiarowego
1 – rura grzejna, 2 – grzałka elektryczna, 3 –termopary, 4 – przełącznik termopar,
5 – wskaźnik temperatury, 6 – watomierz, 7 – autotransformator
Wymiary rury: d = 12 mm, l = 300 mm (długość jednego odcinka)
Przyjmując, że strumień ciepła rozkłada się równomiernie wzdłuż długości mamy:
Q& 1 = Q& 2 = Q& 3 .
(4)
Ciepło oddawane jest z powierzchni rury na drodze konwekcji i promieniowania:
Q& i = Q& ki + Q& ri
i = 1, 2, 3,
 Ti  4  Ts  4 
&
Qi = α ki ⋅ Fi ⋅ ∆t i + C ⋅ ε i ⋅ Fi ⋅ 
 −
 ,
 100   100  
(5)
(6)
gdzie:
αki – konwekcyjny współczynnik wnikania ciepła,
Fi – pole powierzchni zewnętrznej odcinka rury,
∆t = t – tot – różnica średniej temperatury odcinka rury i temperatury otoczenia,
Ts – temperatura ścian w pokoju pomiarowym (Ts = Tot – ∆Ts), wartość ∆Ts podaje
prowadzący ćwiczenie.
Konwekcyjny współczynnik wnikania ciepła można określić na podstawie wzorów
kryterialnych odpowiadających danemu rodzajowi konwekcji. W ćwiczeniu mamy do
czynienia z konwekcją swobodną z powierzchni rury. Zatem:
α ki = A ⋅ ∆ti n ,
(7)
gdzie:
A – stały współczynnik proporcjonalności,
n – wykładnik zależny od iloczynu liczb kryterialnych (GrPr). Dla warunków występujących
w ćwiczeniu n = 0.25.
Średnia temperatura każdego z odcinków rury jest wyznaczana jako średnia arytmetyczna z
trzech mierzonych wartości temperatury. Układ równań (4) stanowi układ dwóch równań z
niewiadomymi A i ε3. Po wyznaczeniu tych wielkości można również określić konwekcyjne
współczynniki wnikania ciepła dla poszczególnych odcinków rury.
Instrukcja laboratoryjna
LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
Wyznaczanie emisyjności powierzchni ciał stałych
4
3. PRZEBIEG ĆWICZENIA
1) włączyć grzałkę elektryczną i ustawić zadaną moc (w trakcie ćwiczenia należy
wykonać dwie serie pomiarowe),
2) w odstępach czasu zadanych przez prowadzącego odczytać i zanotować wskazania
wszystkich termopar oraz moc elektryczną grzejnika,
3) jeżeli w trzech kolejnych odczytach wartości wielkości mierzonych są takie same,
można uznać, że osiągnięto stan ustalony,
4) odczytać temperaturę otoczenia na termometrze szklanym,
5) wyznaczyć temperaturę ścian w pokoju pomiarowym: T s = Tot – ∆Ts, wartość ∆Ts
podaje prowadzący ćwiczenie,
6) z układu równań (4) wyznaczyć emisyjność badanego odcinka rurki, a następnie
wartości konwekcyjnych współczynników wnikania ciepła.
4. SPRAWOZDANIE
Sprawozdanie powinno zawierać:
a) krótkie wprowadzenie,
b) schemat stanowiska pomiarowego,
c) tabele z wynikami pomiarów,
d) obliczenia emisyjności ε3 na podstawie układu równań (4),
e) obliczenia wartości współczynników αki ze wzoru (7),
f) uwagi końcowe i wnioski.
LITERATURA
[1] Kostowski E.: Przepływ ciepła. Skrypt Politechniki Śląskiej nr 1293, Gliwice 1986.
[2] Wiśniewski S.: Wymiana ciepła. PWN, Warszawa 1979.
Instrukcja zaktualizowana 23.02.2004
Instrukcja laboratoryjna
LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ