Теоретические сведения. В основу методики определения степени черноты тела положена формула лучистого теплового потока между двумя телами

В основу методики определения степени черноты тела положена формула лучистого теплового потока между двумя телами, одно из которых находится в объеме, ограниченном поверхностью другого:

, (2.1)

Где с ₀ = 5,67 Вт/(м²К⁴)–коэффициент излучения абсолютно черного тела;

F – площадь поверхности излучения испытуемого тела, м²;

Т ₁ – температура поверхности испытуемого тела, К;

Т ₂ – температура окружающих тел, которую можно принять равной температуре воздуха в лаборатории, К;

e_пр – приведенная степень черноты, которая в условиях эксперимента равна степени черноты испытуемого тела, так как площадь его поверхности много меньше площади поверхности окружающих тел.

В условиях сложного радиационно-конвективного теплообмена лучистый тепловой поток Q _л, определяется как разность между полным Q и конвективным Q _к тепловыми потоками от испытуемого тела в окружающую среду:

, (2.2)

где Q = W в условиях стационарного режима.

Величину конвективного теплового потока можно определить по формуле Ньютона:

, (2.3)

где t ₁, t ₂ – температуры поверхности тела и окружающей среды,

a – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К).

Средний коэффициент теплоотдачи рассчитывается с помощью уравнений подобия. Применение теории подобия позволяет обобщить результаты экспериментальных исследований теплоотдачи в виде критериальных уравнений для
конкретного класса явлений. Критериальные уравнения подобия теплоотдачи устанавливают зависимость критерия Нуссельта от определяющих критериев (Pr, Gr). Как правило, эти уравнения представляются в виде степенных функций. В условиях свободной конвекции критериальное уравнение имеет вид:

(2.4)

Эмпирические коэффициенты c и n, входящие в уравнение (5), определяются путем статистической обработки многочисленных экспериментальных данных.

Для теплоотдачи с поверхности горизонтальной трубы при свободной конвекции в диапазоне величин 5×10² < Gr×Pr < 2×10⁷ эти коэффициенты имеют постоянные значения:

c = 0,5; n = 0,25,

а критериальное уравнение теплоотдачи принимает следующий вид:

. (2.5)

Опыт показывает, что при температурном перепаде ³ 1°С для горизонтальных труб и цилиндров уже выполняется условие 5×10² < Gr×Pr, поэтому режим обтекания воздухом нагретой трубы всегда турбулентный и при расчетах нужно использовать уравнение (2.5).

Для вертикальных труб за характерный геометрический размер принимается высота трубы, а вид критериального уравнения определяется интенсивностью свободного движения:

– ламинарный режим (10 ³ < Gr× Pr < 10 ⁹), c = 0,76; n = 0,25;

; (2.6)

– турбулентный режим (Gr× Pr > 10 ⁹) c = 0,15; n = 0,33;

(2.7)

Для данной лабораторной установки смена режимов обтекания трубы воздухом, при её вертикальном расположении происходит при мощности нагревателя ~10¸12 Вт, что соответствует температурному перепаду ~15¸20 °С.

Практическое использование эмпирических уравнений подобия заключается в нахождении коэффициентов теплоотдачи по значению Nu, вычисленному из критериального уравнения для данного класса явлений.

Теория конвективного теплообмена позволяет определить коэффициенты теплоотдачи для подобных случаев теплообмена путем обобщения экспериментальных данных. Для этого применяются критериальные числа подобия:

· критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность конвективного теплообмена

, (2.8)

где l – коэффициент теплопроводности окружающей среды, Вт/(м×К);

d – характерный геометрический размер теплоотдающей поверхности, который для горизонтально расположенной трубы принимается равным наружному диаметру (d = d), а для вертикально расположенной ее длине (d = l), м;

· критерий Грасгофа, характеризующий интенсивность и режим свободного движения

, (2.9)

где g – ускорение свободного падения, м/с²;

b – коэффициент объемного расширения, который для газов может быть определен из закона Гей–Люссака в виде

b = 1 /(t _cр+273),K ^-1;

n – кинематическая вязкость окружающей среды, м²/с;

· критерий Прандтля, характеризующий соотношение механических (вязкостных) и тепловых свойства теплоносителя

Pr = n / а, (2.10)

где а – коэффициент температуропроводности окружающей среды, м²/с.

После того, как из выбранного уравнения подобия найден коэффициент теплоотдачи, по формуле (2.3) определяется конвективный тепловой поток, из выражения (2.2) - лучистый поток, и, в конечном итоге, из уравнения (2.1) степень черноты тела.

Поиск по сайту: