Цель работы

Ознакомление с методикой проведения экспериментов по определению степени черноты поверхности тела.

Развитие навыков проведения экспериментов.

Задание

Определить степень черноты ε и коэффициент излучения с поверхностей 2-х различных материалов (окрашенной меди и полированной стали).

Установить зависимость изменения степени черноты от температуры поверхности.

Сравнить значение степени черноты окрашенной меди и полированной стали между собой.

Теоретическое введение

Тепловое излучение представляет собой процесс переноса тепловой энергии посредством электромагнитных волн. Количество тепла, передаваемого излучением, зависит от свойства излучающего тела и его температуры и не зависит от температуры окружающих тел.

В общем случае тепловой поток, попадающий на тело, частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема распределения лучистой энергии

(2)

где - тепловой поток, падающий на тело,

- количества тепла, поглощаемое телом,

- количества тепла, отражаемое телом,

- количества тепла, проходящего сквозь тело.

Делим правую и левую части на тепловой поток:

Величины
называются соответственно: поглощательной, отражательной и пропускательной способностью тела.

Если
, то
, т.е. весь тепловой поток, падающий на тело, поглощается. Такое тело называетсяабсолютно черным .

Тела, у которых
,
т.е. весь тепловой поток, падающий на тело, отражается от него, называютсябелыми . При этом, если отражение от поверхности подчиняется законам оптики тела называют зеркальными – если отражение диффузное – абсолютно белыми .

Тела, у которых
,
т.е. весь тепловой поток, падающий на тело, проходит сквозь него, называютсядиатермичными или абсолютно прозрачными .

Абсолютных тел в природе не существует, однако понятие о таких телах очень полезно, особенно об абсолютно черном теле, так как законы, управляющие его излучением, особенно просты, потому что никакое излучение не отражается от его поверхности.

Кроме того, понятие абсолютно черного тела дает возможность доказать, что в природе не существует таких тел, которые излучают больше тепла, чем черные.

Например, в соответствии с законом Кирхгофа отношение излучательной способности тела и его поглощательной способностиодинаково для всех тел и зависит только от температуры, для всех тел, включая и абсолютно черное, при данной температуре:

(3)

Так как поглощательная способность абсолютно черного тела
аии т.д. всегда меньше 1, то из закона Кирхгофа следует, что предельной излучательной способностьюобладает абсолютно черное тело. Поскольку в природе абсолютно черных тел нет, вводится понятие серого тела, его степени черноты ε, представляющее собой отношение излучательной способности серого и абсолютно черного тела:

Следуя закону Кирхгофа и учитывая, что
можно записать
откуда
т.е. степень черноты характеризует как относительную излучательную, так и поглощательную способность тела . Основным законом излучения, отражающего зависимость интенсивности излучения
отнесенную к этому диапазону длин волн (монохроматическое излучение), является закон Планка.

(4)

где - длина волн, [м];

;

и - первая и вторая постоянные Планка.

На рис. 1.2 это уравнение представлено графически.

Рис. 1.2. Графическое представление закона Планка

Как видно из графика, абсолютно черное тело излучает при любой температуре в широком диапазоне длин волн. С возрастанием температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону более коротких волн. Это явление описывается законом Вина:

Где
- длина волны, соответствующая максимуму интенсивности излучения.

При значениях
вместо закона Планка можно применять закон Релея-Джинса, который носит кроме того название «закон длинноволнового излучения»:

(6)

Интенсивность излучения, отнесенная ко всему интервалу длин волн от
до
(интегральное излучение), можно определить из закона Планка путем интегрирования:

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела. Выражение носит название закона Стефана-Больцмана, который был установлен Больцманом. Для серых тел закон Стефана-Больцмана записывают в виде:

(8)

- излучательная способность серого тела. Теплообмен излучением между двумя поверхностями определяется на основании закона Стефана-Больцмана и имеет вид:

(9)

Если
, то приведенная степень черноты становится равной степени черноты поверхности, т.е.
. Это обстоятельство положено в основу метода определения излучательной способности и степени черноты серых тел, имеющих незначительные размеры по сравнению с телами, обменивающимися между собой лучистой энергией

(10)

(11)

Как видно из формулы, определения степени черноты и излучательной способности С серого тела необходимо знать температуру поверхности испытуемого тела, температуруокружающей среды и лучистый тепловой поток с поверхности тела
. Температурыимогут быть замерены известными способами. А лучистый тепловой поток определяется из следующих соображений.

Распространение тепла с поверхности тел в окружающее пространство происходит посредством излучения и теплоотдачи при свободной конвекции. Полный поток с поверхности тела, таким образом, будет равен:

, откуда
;

- конвективная составляющая теплового потока, которая может быть определена по закону Ньютона-Рихмана:

(12)

В свою очередь, коэффициент теплоотдачи может быть определен из выражения:

(13)

определяющей температурой в этих выражениях является температура пограничного слоя:

Рис. 2 Схема экспериментальной установки

Условные обозначения:

В – включатель;

Р1, Р2 – регуляторы напряжения;

PW1, PW2 – измерители мощности (ваттметры);

НЭ1, НЭ2 – нагревательные элементы;

ИТ1, ИТ2 – измерители температуры;

Т1, Т2 и т.д. – термопары.

Лучистый теплообмен между телами в прозрачной среде (приведенная степень черноты системы, расчет теплообмена, методы уменьшения или повышения интенсивности теплообмена).

Экраны

В различных областях техники довольно часто встречаются случаи, когда требуется уменьшить передачу теплоты излучением. Например, нужно оградить рабочих от действия тепловых лучей в цехах, где имеются поверхности с высокими температурами. В других случаях необходимо оградить деревянные части зданий от.лучистом энергии в целях предотвращения воспламенения; следует защищать от лучистой энергии термометры, так как в противном случае они дают неверные показания. Поэтому всегда, когда необходимо уменьшить передачу теплоты излучением, прибегают к установке экранов. Обычно экран представляет собой тонкий металлический лист с большой отражательной способностью. Температуры обеих поверхностей экрана можно считать одинаковыми.

Рассмотрим действие экрана между двумя плоскими безграничными параллельными поверхностями, причем передачей теплоты конвекцией будем пренебрегать. Поверхности стенок и экрана считаем одинаковыми. Температуры стенок T 1 и Т 2 поддерживаются постоянными, причем T 1 >T 2 . Допускаем, что коэффициенты лучеиспускания стенок и экрана равны между собой. Тогда приведенные коэффициенты излучения между поверхностями без экрана, между первой поверхностью и экраном, экраном и второй поверхностью равны между собой.

Тепловой поток, передаваемый от первой поверхности ко второй (без экрана), определяем из уравнения

Тепловой поток, передаваемый от первой поверхности к экрану, находим по формуле

а от экрана ко второй поверхности по уравнению

При установившемся тепловом состоянии q 1 = q 2 , поэтому

откуда

Подставляя полученную температуру экрана в любое из уравнений, получаем

Сравнивая первое и последнее уравнения, находим, что установка одного экрана при принятых условиях уменьшает теплоотдачу излучением в два раза:

(29-19)

Можно доказать, что установка двух экранов уменьшает теплоотдачу втрое, установка трех экранов уменьшает теплоотдачу вчетверо и т. д. Значительный эффект уменьшения теплообмена излучением получается при применении экрана из полированного металла, тогда

(29-20)

где С" пр - приведенный коэффициент излучения между поверхностью и экраном;

С пр - приведенный коэффициент излучения между поверхностями.

Излучение газов

Излучение газообразных тел резко отличается от излучения твердых тел. Одноатомные и двухатомные газы обладают ничтожно малой излучательной и поглощательной способностью. Эти газы считаются прозрачными для тепловых лучей. Газы трехатомные (СО 2 и Н 2 О и др.) и многоатомные уже обладают значительной излучателыюй, а следовательно, и поглощательной способностью. При высокой температуре излучение трехатомных газов, образующихся при сгорании топлив, имеет большое значение для работы теплообменных устройств. Спектры излучения трехатомных газов, в отличие от излучения серых тел, имеют резко выраженный селективный (избирательный) характер. Эти газы поглощают и излучают лучистую энергию только в определенных интервалах длин волн, расположенных в различных частях спектра (рис. 29-6). Для лучей с другими длинами волн эти газы прозрачны. Когда луч встречает

на своем пути слой газа, способного к поглощению луча с данной длиной волны, то этот луч частично поглощается, частично проходит через толщу газа и выходит с другой стороны слоя с интенсивностью, меньшей, чем при входе. Слой очень большой толщины можег практически поглотить луч целиком. Кроме того, поглощательная способность газа зависит от его парциального давления или числа молекул и температуры. Излучение и поглощение лучистой энергии в газах происходит по всему объему.

Коэффициент поглощения газа может быть определен следующей зависимостью:

или общим уравнением

Толщина слоя газа s зависит от формы тела и определяется как средняя длина луча по эмпирической табл.

Давление продуктов сгорания обычно принимают равным 1 бар, поэтому парциальные давления трехатомпых газов в смеси определяют по уравнениям р со2 , = r со2 , и P H 2 O =r H 2 O , где r - объемная доля газа.

Средняя температура стенки- подсчитывается по уравнению

(29-21).

где T" ст - температура стенки канала у входа газа; Т"" c т - температура стенки канала у выхода газа.

Средняя температура газа определяется по формуле

(29-22)

где Т" г - температура газа у входа в канал;

Т"" р - температура газа у выхода из канала;

знак «плюс» берется в случае охлаждения, а «минус» - в случае нагревания газа в канале.

Расчет теплообмена излучением между газом и стенками канала очень сложен и выполняется с помощью целого ряда графиков и таблиц. Более простой и вполне надежный метод расчета разработан Шаком, который предлагает следующие уравнения, определяющие излучение газов в среду с температурой О°К:

(29-23)

(29-24)где р - парциальное давление газа, бар; s - средняя толщина слоя газа, м, Т - средняя температура газов и стенки, °К. Анализ приведенных уравнений показывает, что излучательная способность газов не подчиняется закону Стефана - Больцмана. Излучение водяного пара пропорциональна Т 3 , а излучение углекислого газа - Г 3 " 5 .

Материал
Алюминий полированный
Алюминий окисленный
Алюминий грубополированный
Алюминиевая фольга
Асбестовый картон
Бронза полированная

Вольфрам

Дюралюминий (Д16)
Железо полированное


Краски эмалевые

Латунь полированная
Латунь прокатанная
Медь полированная
Медь окисленная

Масляные краски
Никель полированный
Олово (луженое кровельное железо)

Резина твердая
Резина мягкая
Серебро полированное
Сталь никелированная
Сталь окисленная
Стальное литье





Хром полированный

Щелак черный матовый

для ламинарного режима

Т
аблица 6

Т (46)еплофизические параметры сухого воздуха

при давлении 101,3 · 10³ Па

t m , °C	λ m , x 10²,	V m , x10 6	P , кг/м³

для турбулентного режима

где λ m – теплопроводность газа, для воздуха значение можно выбрать из табл. 6;N i – коэффициент, учитывающий ориентацию поверхности корпуса:

8. Определяем тепловую проводимость σ к между поверхностью корпуса и

окружающей средой:

гдеS н,S в,S б – площади нижней, верхней и боковой поверхностей корпуса блока соответственно;

S н =S в =L 1 ·L 2 ;S б = 2L 3 (L 1 +L 2).

Для более эффективного отвода тепла, часто применяют блоки ИВЭП с оребренными поверхностями. Если перед конструктором ставится задача провести тепловой расчет для такого типа блока вторичного электропитания, то ему необходимо дополнительно определить эффективный коэффициент теплообмена α эф i оребреннойi -й поверхности, который зависит от конструкции ребер и перегрева корпуса относительно окружающей среды. Определяется α эф i так же, как при расчете радиаторов (см. расчет радиаторов, п. 5.5).

После определения эффективного коэффициента теплообмена α эф i , переходят к расчету тепловой проводимости всего корпусаσ к, которая состоит из суммы проводимостей не оребреннойσ к 0 и оребреннойσ к р поверхностей:

г
деσ к 0 рассчитывается по формуле (47), но без учета оребренной поверхности;

г
деS pi – площадь основания оребренной поверхности;N i – коэффициент, учитывающий ориентацию этой поверхности.

9. Рассчитываем перегрев корпуса блока ИВЭП во втором приближенииθ к0:

г
деК КП – коэффициент зависящий от перфорации корпуса блокаК П;К Н1 – коэффициент учитывающий атмосферное давление окружающей среды.

График, по которому можно определить коэффициент К Н1 , изображен на рис. 9, а коэффициент К КП на рис. 14.

Коэффициент перфорации определяется по (11) – (13), и по графику изображенному на рис. 8.

10. Определяем ошибку расчета:

Е
сли δ ≤ 0,1, то расчет можно считать законченным. В противном случае следует повторить расчет температуры корпуса блока вторичного электропитания для другого значенияθ к, скорректированного в сторонуθ к 0 .

11. Рассчитываем температуру корпуса блока:

Н
а этом первый этап расчета теплового режима блока ИВЭП окончен.

Этап 2. Определение среднеповерхностной температуры нагретой зоны.

1. Вычисляем условную удельную поверхностную мощность q з нагретой зоны блока по формуле (19).

2. Из графика на рис. 7 находим в первом приближении перегрев нагретой зоны θ з относительно температуры, окружающей блок среды.

3. Определяем коэффициенты теплообмена излучением между нижними α злн, верхними α злв и боковыми α злб поверхностями нагретой зоны и корпусом:

гдеε П i – приведенная степень чернотыi -й поверхности нагретой зоны и корпуса:

ε з i иS з
i – степень черноты и площадьi -й поверхности нагретой зоны.

Рис. 15

4. Для определяющей температуры t m = (t k +t 0 +θ з)/2 и определяющего размераh i находим число ГрасгофаGr hi и ПрандтляPr(формула (43) и табл. 6).

5. Рассчитываем коэффициенты конвективного теплообмена между нагретой зоной и корпусом для каждой поверхности;

для нижней поверхности

для верхней поверхности

для боковой поверхности

6. Определяем тепловую проводимость σ зк между нагретой зоной и корпусом:

г
деК σ – коэффициент, учитывающий кондуктивный теплообмен:

σ – удельная тепловая приводимость от модулей к корпусу блока, зависит от усилий прижима к корпусу (рис. 15); при отсутствии прижима σ = 240 ВТ/(м 2 ·К);S λ – площадь контакта рамки модуля с корпусом блока.

Таблица 7

Теплофизические свойства материалов

Материал	Коэффициент теплопроводности, λ, ВТ/(м·К)
Алюминий




Асбестовая ткань
Асбест листовой

Пластмасса полихлорвиниловая
Фторопласт – 4
Полистирол

Стеклотекстолит






Пенопласт ПВХ – 2
Пенополиуретан ЭПЭ

7. Рассчитываем нагрев нагретой зоныθ з0 во втором приближении:

г
деK w – определяем по графику изображенному на рис. 11;K н2 – определяем по графику (рис. 10).

8. Определяем ошибку расчета

Е
сли δ < 0,1, то расчет окончен. При δ ≥ 0,1 следует повторить расчет для скорректированного значенияθ з.

9. Рассчитываем температуру нагретой зоны

Э
тап 3. Расчет температуры поверхности компонента, входящего в состав схемы ИВЭП

Приведем последовательность расчета, необходимого для определения температуры корпуса компонента установленного в модуле первого уровня разукрупнения.

1. Определяем эквивалентный коэффициент теплопроводности модуля, в котором расположен компонент, например микросхема, для следующих вариантов:

при отсутствии теплопроводных шин λ экв = λ П, где λ П – теплопроводность материала основания платы;

при наличии теплопроводных шин

где λ ш – теплопроводность материала теплопроводной шины;V П – объем печатной платы с учетом объема теплопроводных шин;V ш – объем теплопроводных шин на печатной плате;A – поверхностный коэффициент заполнения платы модуля теплопроводными шинами:

г
деS ш – суммарная площадь, занимаемая теплопроводными шинами на печатной плате.

В табл. 7 приведены теплофизические параметры некоторых материалов.

2. Определяем эквивалентный радиус корпуса микросхемы:

г
деS o ИМС – площадь основания микросхемы.

3. Рассчитываем коэффициент распространения теплового потока:

г
де α 1 и α 2 – коэффициенты теплообмена с первой и второй сторон печатной платы; для естественного теплообмена

δ П
– толщина печатной платы модуля.

4. Определяем искомый перегрев поверхности корпуса микросхемы:

гдеВ иМ – условные величины, введенные для упрощения формы записи: при одностороннем расположении корпусов микросхем на печатной платеВ = 8,5πR 2 ВТ/К,М = 2; при двустороннем расположении корпусовВ = 0,М = 1;К – эмпирический коэффициент: для корпусов микросхемы, центр которых отстоит от торцов печатной платы на расстоянии менее 3R ,К = 1,14; для корпусов микросхем, центр которых отстоит от торцов печатной платы на расстоянии более 3R ,К = 1;К α – коэффициент теплоотдачи от корпусов микросхем определяется по графику изображенному на рис. 16;К 1 иК 0 – модифицированные функции Бесселя;N – числоi -х корпусов микросхем, расположенных на расстоянии не более 10/m , то естьr i ≤ 10m ; Δt в – среднеобъемный перегрев воздуха в блоке:

Q
имс i – мощность, рассеиваемаяi -й микросхемой;S имс i – суммарная площадь поверхностиi -й микросхемы;δ з i – зазор между микросхемой и платой;λ з i – коэффициент теплопроводности материала, заполняющего этот зазор.

5. Определяем температуру поверхности корпуса микросхемы:

П
риведенный выше алгоритм расчета температуры микросхемы можно применять для любого другого дискретного компонента, входящего в состав блока вторичного электропитания. В этом случае дискретный компонент можно считать подобно микросхеме с локальным источником теплоты на пластине, и ввести соответствующие значения геометрических параметров в уравнения (60) – (63).

Плотность теплового потока при теплообмене между газом и твердой поверхностью рассчитывается по формуле:

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

Температура стенки (оболочки), К;

е пр - приведённая степень черноты материала поверхности газохода;

е г - степень черноты газовой смеси;

Приведённая к температуре стенки.

Приведенная степень черноты рассчитывается по формуле:

где ес - степень черноты материала стенки (берется из таблиц).

Определение степени черноты газа

Степень черноты газовой смеси рассчитывается по формуле:

где - поправочный коэффициент, учитывающий неподчинение излучения водяных паров закону Бугера-Бэра;

Поправка, учитывающая взаимное поглощение СО2 и H2O при совпадении полос излучения (обычно, поэтому в инженерных расчетах ею можно пренебречь).

Степень черноты и поглощательная способность компонентов газовой смеси определяются:

1) При помощи номограмм.

Степень черноты газа

Значения и в этом случае берутся по номограммам в зависимости от температуры газа и произведения парциального давления газа на среднюю длину пути луча.

Р - давление газа, атм;

Средняя температура газа, ?С;

Эффективная толщина излучающего слоя, м;

V - величина излучающего объема газа, м3;

Fc - площадь поверхности оболочки, м2;

- поправочный коэффициент.

Поправочный коэффициент в также находится по графикам в зависимости от (pН2О l) и pН2О.

Поглощательная способность газовой смеси рассчитывается по формуле

(3.3)

Поскольку значение поглощательной способности зависит от температуры стенки, то значения и в этом случае берутся по номограммам в зависимости от температуры стенки и произведения парциального давления газа на среднюю длину пути луча.

2) При помощи аналитических формул.

Степень черноты может быть найдена по следующей формуле

k - суммарный коэффициент ослабления лучей в смеси, определяемый эмпирической формулой

Для нахождения степени черноты в предыдущую формулу для определения коэффициента ослабления подставляется значение абсолютной температуры газа.

Поглощательная способность может быть найдена по следующей формуле

где - суммарный коэффициент ослабления;

для нахождения поглощательной способности используется значение абсолютной температуры сте нки.

Пример расчета

Вычислить плотность теплового потока, обусловленного излучением от дымовых газов к поверхности газохода сечением А х В = 500 х 1000 мм. Состав газа: содержание СО2=10%; содержание Н2О=5%; общее давление газа Р = 98,1 кПа (1 атм). Средняя температура газа в газоходе tг = 6500С. Средняя температура поверхности газохода = 4000С. Газоход изготовлен из латуни.

1. Вычисляем плотность теплового потока, обусловленного излучением, с использованием номограмм.

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Степень черноты латуни по справочным данным;

Приведённая степень черноты поверхности газохода; ;

Эффективная толщина излучающего слоя

Парциальные давления компонентов

Объёмная доля Н2О и СО2 в газе;

РСО2. = 0,1 . 60 = 6 см.атм.

РН2О. = 0,05 . 60 = 3 см.атм.

Поправочный коэффициент, учитывающий неподчинение поведения водяного пара закону Бугера-Бэра;

из графика.

По номограммам и температуре tг = 6500С

Степень черноты газа

По номограммам и температуре tс = 400 0С

Поглощательная способность газа

Результирующий тепловой поток

2. Вычисляем плотность теплового потока, обусловленного излучением, с использованием формул.

Суммарные коэффициенты ослабления

Степень черноты газа

Поглощательная способность газа

Результирующий тепловой поток

Примечание: результаты расчетов степени черноты и поглощательной способности газа двумя методами должны быть близки между собой.

Рис. 3.1.

Рис. 3.2. Степень черноты в зависимости от температуры для Н2О

Рис. 3.3. Значения поправки в, учитывающей влияние парциального давления Н2О на степень черноты

Тепловой расчёт экономайзера (пример расчета)

Расход, кг/с

Температура, оС

Скорость движения, м / с

Диаметр труб

d 2 / d1,

Располо-жение

Относи-тельный шаг

Толщина слоя, мм

Ды-мо-вые

G 2

t 1 ”

д н

Алибаева

Змеевиковый экономайзер парового котла предназначен для подогрева питательной воды в количестве G2 от температуры t2" до t2"". Вода движется вверх по трубам диаметром d2/d1. Коэффициент теплопроводности материала стенки л. Средняя скорость движения воды щ2.

Дымовые газы (13% СО2 и 11% Н2О) движутся сверху вниз в межтрубном пространстве со средней скоростью в узком сечении трубного пучка щ1. Расход газов G1. Температура газов на входе в экономайзер t1", на выходе t1"". Задано расположение труб в пучке и относительные шаги: поперечный у1 = S1/d2 и продольный у2 = S2/d2. Со стороны газов поверхность труб покрыта слоем сажи толщиной дс, со стороны воды - слоем накипи толщиной дн. Коэффициенты теплопроводности принять: для сажи лс = 0,07 - 0,12 Вт/м·град, для накипи лн = 0,7 - 2,3 Вт/м·град.

1. Определяем диаметр трубы с учётом загрязнения её накипью с внутренней стороны и сажей с наружной стороны:

2. Уравнение теплового баланса

Считая, что потери теплоты по длине экономайзера равны 0, запишем уравнение теплового баланса:

Средняя температура воды: