- •Термодинамика и тепломассоперенос
- •Оглавление
- •Введение
- •Общий порядок проведения работ
- •Измерение температуры и давления
- •Приборы для измерения температуры
- •Приборы для измерения давления
- •1. Измерение температуры Описание экспериментальной установки
- •Порядок проведения эксперимента
- •2. Измерение давления Описание экспериментальной установки
- •Порядок проведения эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Построение участка нижней пограничной кривой для воды
- •Общие положения
- •Описание экспериментальной установки
- •Порядок проведения эксперимента
- •Обработка экспериментальных данных
- •Контрольные вопросы
- •Определение степени сухости влажного насыщенного водяного пара
- •Общие положения
- •М етодика экспериментального определения степени сухости
- •Описание экспериментальной установки
- •Порядок проведения эксперимента
- •Обработка результатов эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Исследование влажного воздуха
- •Общие положения
- •Описание экспериментальной установки
- •Порядок проведения эксперимента
- •Обработка результатов эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Исследование процесса охлаждения пищевых продуктов
- •Общие положения
- •Оборудование, приборы и материалы
- •Порядок проведения эксперимента
- •Обработка результатов эксперимента
- •Определение коэффициента теплопроводности материала методом цилиндрического слоя
- •Общие положения
- •О писание экспериментальной установки
- •Порядок проведения эксперимента
- •Обработка результатов эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Определение коэффициента теплоотдачи при свободном движении воздуха
- •Общие положения
- •Описание экспериментальной установки
- •Порядок проведения эксперимента
- •Обработка экспериментальных данных
- •Контрольные вопросы
- •Определение коэффициента температуропроводности тела методом регулярного режима
- •Общие положения
- •Описание экспериментальной установки
- •Порядок проведения эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Определение степени черноты твердого тела
- •Общие положения
- •Основные характеристики излучения
- •Метод двух эталонов. Описание экспериментальной установки.
- •Порядок проведения и обработка эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Приложения
- •Градуировочная таблица термопары хк (хромель-копель)
- •Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения
- •Теплофизические характеристики некоторых пищевых продуктов
- •Энтальпия (кДж/кг) пищевых продуктов
- •Тепломассоперенос и термодинамика
- •650056, Г. Кемерово, б-р Строителей, 47
- •650010, Г. Кемерово, ул. Красноармейская, 52
Метод двух эталонов. Описание экспериментальной установки.
Определение интегральной степени черноты реального тела можно было бы провести, исходя из формулы (10). Для этого нужно определить в эксперименте Q1-2, T1 и Т2 в процессе теплообмена небольшого тела площадью F1 с окружающей средой. Однако, как следует из анализа погрешности, ошибка в определении T1 сильно влияет на величину ε1. Например, ошибка при определении T1 в 1% даёт ошибку при определении ε1 в 4%. Поэтому используют другие более точные методы определения степени черноты.
Метод двух эталонов. Берутся два тела с известными степенями черноты ε1 и ε2 такой же геометрии, как и испытуемое. В данной работе это полые цилиндры 1 длиной 250 мм с внешним диаметром 80 мм (рис. 1).
Все три цилиндра крепятся вертикально с помощью одинаковых держателей 2. Между цилиндрами ставятся стенки-перегородки 3, которые обеспечивают одинаковые условия конвективной теплоотдачи поверхностей цилиндров с воздухом. Внутри каждого из цилиндров находится нагревательный элемент 4, мощность которого измеряется ваттметром 5 и регулируется автотрансформатором 6. Измерение температуры поверхностей цилиндров проводится термопарами 7 с помощью цифрового вольтметра 8.
Между внешней поверхностью цилиндра и окружающей средой происходит теплообмен излучением – тепловой поток QИ и конвективной теплоотдачей - тепловой поток QК. Нужно помнить, что это результирующий тепловой поток, равный алгебраической сумме потока, уходящего с поверхности цилиндра, и потока, поступающего на поверхность цилиндра от окружающей среды. Величину QИ можно определить по формуле (10) т. к. поверхность цилиндра много меньше поверхности тел окружающей среды, т. е. стен аудитории и других предметов, образующих окружающую среду. Кроме того, тепло QТ уходит через металлические крепления теплопроводностью. На внутреннюю поверхность цилиндрической стенки поступает тепловой поток W от нагревателя. Между элементарными площадками внутренней поверхности цилиндра происходит также теплообмен излучением, однако вследствие симметрии цилиндра суммарный тепловой поток от такого энергообмена равен нулю.
Для цилиндрической стенки можно записать первое начало термодинамики в форме:
Q1-2 + L1-2 = ΔU1-2 (10)
Здесь 1 и 2 – состояния цилиндрической стенки в начальный и конечной моменты времени, определяющие время рассмотрения энергообмена τ цилиндрической стенки с окружающей средой. L1-2 – работа, совершаемая за рассматриваемый период времени τ; L1-2 = 0, т. к. перемещение границ цилиндрической стенки отсутствует. ∆U1-2 – изменение внутренней энергии цилиндра за процесс 1-2. Внутренняя энергия твёрдого тела определяется его средней температурой Т, то
∆U1-2 = с(Т2 – Т1),
где с - полная теплоёмкость цилиндра.
Q1-2 – суммарное тепло, пересекающее границу между цилиндрической стенкой и окружающей средой в виде воздуха и держателей:
Q1-2 = (– Q1-2 – QИ – QТ +W)∙τ,
Тогда (10) примет вид:
– QК – QИ – QТ +W)∙τ = с∙(T2 – T1) (11)
Если рассматривать стационарные режимы, когда Т2=Тo, то из (11) получим:
. (12)
В (12) использовано уравнение Ньютона – Рихмана для конвективной теплоотдачи, где α – коэффициент теплоотдачи от поверхности цилиндра к воздуху, То – температура окружающей среды, Т1 – температура поверхности цилиндра. Запишем (11) для каждого из цилиндров в стационарном режиме с учётом того, что эталонные цилиндры обозначим индексами 1 и 2, а исследуемый цилиндр – индексом «и». Тогда
, (13)
, (14)
. (15)
При одинаковых температурах на поверхности цилиндров в стационарных режимах Т1 = Т2 = ТИ = Т. Кроме того, для цилиндров одинаковой геометрии F1 = F2 = FИ = F. Использование перегородок обеспечивает в этом случае одинаковый конвективный теплообмен, т. е. α1 = α2 = αИ = α, а одинаковость креплений позволяет иметь QT1 = QT2 = QТИ = QТ. Вычитая из равенства (13) равенство(14) и из (14) – (15), получим:
, (16)
. (17)
Разделив (17) на (16), имеем:
, или
. (18)
По показаниям ваттметров каждого из цилиндров с одинаковой температурой поверхности при стационарном режиме и по эталонным значениям ε1, ε2 можно определить степень черноты ε И.