Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Металлургические технологии» ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИВЕДЕННОГО КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ И СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ТВЕРДОГО ТЕЛА Методические указания М и н с к 2007 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Металлургические технологии» ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИВЕДЕННОГО КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ И СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ТВЕРДОГО ТЕЛА Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Металлургическая теплотехника и теплоэнергетика» для студентов специальностей 1-36 01 05 «Машины и технология обработки материалов давлением», 1-36 02 01 «Машины и технология литейного производства», 1-42 01 01 «Металлургическое производство и материалообработка», 1-42 01 02 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия» М и н с к 2 0 0 7 УДК 621.745 ББК 34.3я7 0 62 Составители: В.И. Тимошпольский, И.А. Трусова. С.М. Кабишов, Г.А. Климович, П.Э. Ратников Рецензенты; .А.Г. Слуцкий, И.М. Шимановнч Мегодические указания к вьшолнению лабораторной рабо­ ты предназначены для закрепления и углубления теоретиче- ски.ч знаний, полученных при изучении лекционного материа­ ла по курсу «Металлургическая теплотехника и теплоэнерге­ тика», а также для приобретения практических навыков вьшолнения теплотехнических измерений и расчетов. © БИТУ, 2007 Введение Целью лабораторной работы является закрепление теоре­ тического материала курса, а также ознакомление студентов с методиками измерений и исследований теплофизических про­ цессов, протекающих в агрегатах металлургического произ­ водства. Большое внимание при выполнении лабораторной работы уделяется приобретению студентами навыков ведения самостоятельной научно-исследовательской работы, анализа и обобщения полученных результатов. Для осмысленного выполнения работы студенты должны предварительно изучить теоретические положения по изучае­ мому вопросу, методику исследования, принцип работы при­ боров и оборудования. Перед началом работы студенты обязаны пройти инструк­ таж по технике безопасности и расписаться в соответствую­ щем журнале. Лабораторная работа проводится под руководством препо­ давателя и инженера. Студенты, пропустившие лабораторную работу, вьшолня- ют ее в ко1ще семестра в дополнительное время по расписа­ нию кафедры. Студенты, не защитившие лабораторную рабо­ ту в установленный срок, не получают зачет и не допускаются к экзаменам. ПРАВИЛА ОХРАНЫ ТРУДА И ПРОТИВОПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ Л,АБОРАТОРНЫХ РАБОТ При вьтолнении лабораторных работ необходимо строго соблюдать следующие требования; 1. Лабораторные работы проводятся по подгруппам, не пре­ вышающим 12-15 человек. 2. Перед выполнением лабораторных работ студенты обяза­ ны ознакомиться с правилами охраны труда и противопожар­ ной безопасности в лаборатории и на рабочих местах, распи­ саться в журнале регистрации инструктажа по охране труда. 3. Преподаватель, ведущий занятия, обязан перед началом каждой лабораторной работы напомнить студентам о прави­ лах охраны труда и безопасных приемах работы на лабора­ торном оборудовании. 4. При работе с электрооборудованием студенты обязаны выполнять правила электробезопасности и пользоваться пре­ дусмотренными для этой цели защитными средствами. 5. Работать на приборах и оборудовании студенты могут только под наб;иодением преподавателя или лаборанта. 6. Студентам запрещается включать приборы и механизмы самостоятельно, без наблюдения преподавателя и лаборанта. 7. Перед проведением испытаний студенты обязаны озна­ комиться с работой лабораторного оборудования по настоя­ щему практикуму и соответствующим инструкциям. 8. К лабораторным работам допускаются студенты, овла­ девшие правилами и порядком их выполнения. 9. По окончании работы следует тщательно убрать свое ра­ бочее место. Цель работы: изучить явление переноса теплоты излуче­ нием, определить приведенный коэффициент излучения и сте­ пень черноты образца, построить график зависимости Теоретическая часть Излучение — это процесс распространения электромагнит­ ных волн, испускаемых телом при преобразовании внутрен­ ней энергии тела в результате вн^тримолекулярньк и вну три­ атомных возмущений в лучистый поток. Суммарный процесс теплообмена излучением между двумя телами состоит из трех последовательных процессов: превраще­ ние тепловой энергии первого тела в энергию электромагнит­ ных волн; перенос энергии в пространстве в ввде электромаг­ нитных волн от одного тела к другому; при попадании тепло­ вых лучей на второе тело их энергия частично поглощается им, снова превращаясь во внутреннюю. Таким образом, процесс те­ плообмена излучением включает в себя как процесс превраще- 10ТЯ энергии, так и процесс переноса энергии в пространстве. Иcтo^шикaми электромапштных волн являются заряженные частицы, т.е. электроны и ионы, входящие в состав вещества. В процессе теплообмена излучением два тела могут обме­ ниваться теплотой, если они отделены друг от друга в про­ странстве или даже если между ними абсолютный вакуум. Особенностью теплообмена излучением является и то, что два тела обмениваются теплотой и в том случае, если их темпера­ туры одинаковы. Электромагнитные волны характеризуются длиной волны X и частотой колебания v f Л V = — \ . Диапазон длин вож при излуче- щщ от 0,02 МК.М до 400 мкм, при этом ультрафиолетовые нахо­ дятся в диапазоне 0,02...0,4 \псм; световые - 0,4...0,76 мкм; ин­ фракрасные - 0,76... 1000 мкм. 5 Излучение свойственно любому телу при условии, что его температура отлична от абсолютного нуля. Чем выше температура тела, тем больше его тепловое излучение. Суммарное излучение, испускаемое телом по всему спек­ тру (от ^ = О до Я- = оо), назьшают интегральным. Излучение, испускаемое при определенной длине волны или в узком диа­ пазоне длин волн, нгзивгйот монохроматическим. В зависимости от направления излучения различают сфе­ рическое и направленное излучение. Все реальные тела излу­ чают энергию по всем направленияь! сферы (полусферы). Из­ лучение, рассматриваемое в каком-либо одном направлении, назьшается направленным. Потоком энергии излучения Q называется количество те­ плоты, переносимое через некоторую поверхность F, м ,^ за единицу времени по всем направлениям полусферы, Вт. Плотностью потока энергии излучения q называется ко­ личество теплоты, которое переносится через единицу по­ верхности F, м ,^ в единицу времени по всем направлениям по­ лусферы, Вт/м^. Излучение, которое определяется температурой тела, назы­ вается собственным излучением 0 соб Обычно тело участвует в лучистом теплообмене с другими телами. Энергия излучения других тел, попадая на поверх­ ность данного тела извне, частично поглощается, частично отражается, а часть ее проходит сквозь тело. Часть падающей энергии излучения, поглощенной данным телом, называется потоком поглощенного излучения бпогл- При поглощении лучистая энергия вновь превращается во внутреннюю энергию тела (рис. 1). Рис. 1. Потоки энергии излучения: ^пад “ падающий; - отраженный; - собственный; Qnon ~ поглощенный; - пропущенный Часть падающей энергии, которую поверхность данного тела отражает обратно окружающим его телам, назьшается потоком отраженного излучения Qorp- Часть падающей энергии излучения, проходящей сквозь тело, назьшается плотностью потока пропускаемого излу­ чения Q„po,f Если на тело падает тепловой поток 0пад > то имеем бпад Qnorn Qnpou Qi;отр • Тело, поглощающее все падающее на него излучение, на­ зывается абсолютно черным телом. Тело, которое отражает все падающее на него излучение,- абсолютно бечым. Абсо­ лютно черных и белых тел в природе не существует, однако эти понятия играют чрезвычайно важную роль в теории теп­ лового излучения. Наиболее близки к абсолютно черному те­ лу сажа, снег, бархат (А = 0,97...0,98); к абсолютно белому телу - полированные металлы (У? = 0,97) (прил. 1). Тела, кото­ рые пропускают всю падающую на них энергию, ничего не отражая и не поглощая, называются прозрачными. Для реальных тел характерны частичное поглощение и час­ тичное отражение тепловой лучистой энергии. В теории теп­ лового излучения их назьгаают серыми телами. Суммарная плотность потоков собственного и отраженного излучения, испускаемого поверхностью данного тела, называ­ ется плотностью эффективного излучения бэф ~ бсоб ботр • Эффективное излучение зависит не только от физических свойств и температуры данного тела, но и от физических свойств и температуры окружающих его тел. Результирующее излучение представляет собой разность между лучистым потоком, получаемым данным телом, и лу­ чистым потоком, который оно посылает в окружающее про­ странство; йре, = 0 ^ . - 0 пад • Закон Стефана-Больцмана. Закон устанавливает зависи­ мость поверхностной интегральной плотности потока энергии собственного полусферического излучения абсолютно черно­ го тела от температуры Яо = . где до - плотность теплового потока абсолютно черного тела, Вт/м^; Сто - постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,6686 х X Ю’* Вт/(м^ К^). Согласно закону величина поверхностной интегральной плотности потока энергии собственного излучения абсолютно черного тела определяется только температурой тела и изме­ няется пропорционально температуре в четвертой степени. Закон Стефана-Больцмана записьгеают также в виде % - Q f - L ]looj ’ где Со = 5,67 Вт/(м" К‘*) - коэффициент излучения абсолютно черного тела. Поскольку излучение серого, т.е. реального, тела характе­ ризуется тем, что его интенсивность составляет некоторую долю от интенсивности излучения абсолютно черного тела, используют понятие степени черноты. Степень черноты - это отношение поверхностной плотности потока собственного излучения серого тела к поверхностной плотности потока интегрального излучения абсолютно черного тела при одной и той же температуре. Степень черноты определяют так же, как отношение излучательной способности серого тела к излуча­ тельной способности черного тела: Б = ^0 С учетом этого закон Стефана-Больцмана для серого тела имеет вид 9 = еС, looJ ’ где С — eCq - коэффициент излучения реального тела. Степень черноты относится к важнейшим радиационнъьм характеристикам и характеризует способность тел поглощать и испускать энергию излучения. Степень черноты зависит от природы тела, температуры, состояния поверхности тела, а для металлов - и от степени окисления поверхности и может изменяться от О до значений, близких, но меньших единицы. Величина этого коэффициента в большинстве случаев опреде­ ляется экспериментальным путем. Связь между излучательной и поглощательной способно­ стями устанавливает закон Кирхгофа, отношение излучатель­ ной способности серого тела к его поглощательной способно­ сти одинаково для всех тел, находящихся при одинаковой температуре, и равно излучательной способности абсолютно черного тела при той же температуре: Я _ 4 i _ А Ai -до~С(^ г J л Too Из закона следует, что д = АС^ Г т vlOOy Поглощательная способность А численно равна степени черноты тела, т.е. степень черноты характеризует как излуча­ тельную, так и поглощательную способность. Из закона Кирхгофа следует важный вывод: если тело мало поглощает, то оно мало излучает. Для абсолютно черного те­ ла = 1, поэтому абсолютно черное тело не только поглощает всю падающую на него энергию, но и максимально излучает. Для учета формы, размеров и взаимного расположения по­ верхностей, составляющих систему теплообмена, использует­ ся понятие углового коэффициента излучения. Угловой коэф­ 10 фициент безразмерен, по абсолютной велнчгае изменяется от О до 1. В системе из п поверхностей обозначается как или где/= 1,2, 3...... к....... п. Угловой коэффициент показывает, какая часть полусфе­ рического лучистого потока, уходящего, например, с поверх­ ности 1, попадает на произвольно расположенную поверх­ ность 2. Ф12 =■ 12 пад = - ^ j J ^ c o s p , С08Р2^^1^1^2 ^ 1 я/ где Упад “ тепловой поток, падающий с поверхности 1 на по­ верхность 2; О* - тепловой поток, излучаемый поверхностью 1 в полу­ сферу; Fi, Fa - площади поверхностей; / - расстояние между поверхностями; Рь р2 - углы между направлением потока и нормалью к площадке. Аналогично записывается угловой коэффициент, опреде­ ляющий долю излучения с поверхности 2 па 1: Ф21 = - ^ J J ^ c o s p , cosP2dFidF2. Угловые коэффициенты связаны между собой определен­ ными соотношениями. Свойство взаимности. Это свойство вытекает из опреде­ ления средних угловых коэффициентов. Если в теплообмене участвуют две поверхности F\ и Fi, то вьшолняется равенство 11 ^ 1<Р12 = '^2Ф21- Свойство невогнутости. Свойство справедливо только ;у1я невогнутых, т.е. плоских,^! и выпуклых поверхностей (рис. 2). Ь v /У ;7. V F, Рис. 2. Виды излучающих поверхностей: F| - плоская; F2 - выпуклая; - вопсутая; эффекптный поток энергии Данное свойство означает, что плоское или выпуклое тело не может излучать само на себя, т.е. эффективный поток, ухо­ дящий с поверхностей F\ и F2 прямым образом (в отсутствии других поверхностей, от которых он мог бы отразиться) не может попасть на эти же поверхности: Фг7=0- Свойство залшкаемости. Это свойство справедливо толь­ ко для замкнутых систем, т.е. таких систем, из которых энер­ гия не выходит в окружающую среду и в систему из окру­ жающей среды не поступает (рис. 3). 12 Рис. 3. Схема излучения поверхности в замкнутой системе: I, 2, 3 , 4 - поверхности Сумма угловьк коэффициентов для замкнутой системы равна единице. В общем случае для системы из п поверхно­ стей = 1, »■= 1,2,3, Например, для замкнутой системы, приведенной на рис. 3: Ф12 ■^Ф14 ^ или Ф4] +Ф 42 +Ф43 +Ф 44 = 1 • Свойство заменяемости. Если между двумя поверхностя­ ми F\ и F3 расположить третье непрозрачное тело с поверхно­ стью F2, которое полностью препятствует прямому обмену энергией между F\ и F3, то Ф13=0 ;Ф31=0 ' 13 Свойство аддитивности. Если рассматривается теплооб­ мен излучением между поверхностью F\ и поверхностью F4, которая является суммой поверхностей Fi и F3, то выполняет­ ся условие Ф14=Ф12+Ф13- Значения угловых коэффициентов для простейших систем (рис. 4): F>- F,- а F. Рис. 4. Примеры простейших замкнутых систем с радиационным теплооб.меном: а - две бесконечно плоские поверхности; б - плоская F] и выпуклая Fi поверхности; в - выпуклая F\ и вогнутая Fz поверхности 1. Две большие, близко расположенные друг к другу беско­ нечно параллельные плоскости (рис. 4, о): Фц= Ф22=0; Ф12 = Ф21= 1- 14 2. Плоская поверхность F\ замкнута вогнутой поверхно­ стью F2 (рис. 4, б). Для такой системы фц = 0 ; Ф12= П ^ i9 i2 ~ ^2Ф21 > следовательно F, Ф21 Ф22 г, - 3. Вьшуклая поверхность F\ замкнута вогнутой поверхно­ стью F2 . Для такой системы получим F, Фи Ф12“ Ф21 ’ Ф22 ■ ^2 : 1 - Для простейших систем в случаях, когда плоская поверх­ ность F\ замкнута вогнутой поверхностью F2 (рис. 4, б) и вы­ пуклая поверхность F\ замкнута вогнутой поверхностью F2 (рис, 4, в), а значения угловых коэффициентов соответственно F, равны Ф12= U Ф21 приведенный коэффициент излуче- Fi ния определяется С =пр 1 1-т или Бпр = '0J 1— + / — -1 ^2 Порядок выполнения работы 1. Включить лабораторную печь и загрузить в печь образец. 2. Измерить силу тока, напряжение, температуру печи. 15 3. После стабилизации температуры печи произвести изме­ рение температуры поверхности образца каждую минуту, за­ нести результаты измерений в табл. 1. Таблица 1 X, с т °спов> ^ 4. Построить график зависимости Г = / ( т ) . 5. Определить приведенный коэффициент излучения об­ разца. 6. По формуле п^р 1 ^ - 1 2^ А определить степень черноты образца. 7. Построить график зависимости s = /(Т ’пов)- Содержание отчета Общие сведения о лучистом теплообмене. Описание мето­ дики проведения эксперимента. Эскиз лабораторной установ­ ки с раз.мерамн. Результаты опытов в виде таблиц, расчетов, графиков. Вьшоды. 16 Литератора 1. Теплотехника металлургического производства: учебник для вузов. В 2 т. / В.А. Кривандин [и др.]. - М.: МИСиС, 2002. 2. Арутюнов, В.А., Миткалинный, В.И., Старк, С.Б. Метал­ лургическая теплотехника. В 2 т. - М.: Металлургия, 1974. 3. Исаченко, В.П., Осипова, В.А., Сукомел, А.С. Теплопе­ редача. - М.; Энергоиздат, 1981. 4. Кривандин, В.А., Марков, Б.Л. Металлургические печи. - М.: Металлургия, 1977. 5. Теплотехника: учебник для вузов / В.Н. Луканин [и др.]; подред, В.Н. Луканина. -М .; Высшая школа, 2005. 6. Теплообмен и тепловые режимы в промышленных печах / В.И. Тимошпольский, И.А. Трусова, А.Б. Стеблов, И.А. Пав- люченков; под общ. ред. В.И. Тимошпольского. - Минск: Вышэйшая школа, 1992. 7. Прибытков, И.А., Левицкий, И.А. Теоретические основы теплотехники. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. 17 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Коэффициент теплового излучения различных материалов Материал Л °С е Алюминий полированный 225-575 0,039-0,057 шероховатый 26 0,055 01СИСЛСННЫЙ при 600 ®С 200-600 0,11-0,19 Вольфрам 230-2230 0,053-0,31 Железо полированное 425-1020 0,14-0,377 литое необработанное 925-1115 0,87-0,95 Сталь листовая шлифованная 940-1100 0,52-0,61 окисленная при 600 "С 200-600 0,79 окисленная шероховатая 40-370 0,94-0,97 Чугун полированный 200 0,21 окисленный при 600 “С 200-600 0,64-0,78 шероховатый, сильно окисленный 40-250 0,96 Золото полированное 225-625 0,018-0,035 Латунь полированная 245-355 0,028-0,031 прокатанная 22 0,06 окисленная при 600 ®С 200-600 0,61 Медь полированная 115 0,023 окисленная при 600 °С 200-600 0,57 Асбестовый картон 24 0,96 Динасовый кирпич шероховатый неглазурованный 1000 0,8 глазурованный 1100 0,85 Шамотный кирпич глазурованный 1100 0,75 Фарфор глазурованный 22 0,92 Сажа, слой 0,075 мм и толще 40-370 0,95 Учебное издание ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИВЕДЕННОГО КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ И СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ТВЕРДОГО ТЕЛА Методические указания к вьтолнению лабораторной работы по дисциплине «Металлургическая теплотехника и теплоэнергетика» для студентов специальностей 1-36 01 05 «Машины и технология обработки материалов давлением», 1-36 02 01 «Машины и технология литейного производства», 1-42 01 01 «Металлургическое производство и материалообработка», 1-42 01 02 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия» Составители: ТИМОШПОЛЬСКИЙ Владимир Исаакович ТРУСОВА Ирина Александровна КЛИМОВИЧ Галина Анатольевна и др. Редактор Н.В. Артюшевская Компьютерная верстка А.Г. Гармазы Подписано в печать 29.05.2007. Формат 60 X 84 1/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Уел. печ. л. 1,10. Уч.-изд. л. 0,86. Тираж 100. Заказ 158. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0131627 от 01.04.2004. 220013, Минск, проспект Независимости, 65.