Библиографическое описание:

Тураева У. Ф., Тураев Ш. Ф., Ибрагимов С. С. Определение излучательной способности стационарным методом // Молодой ученый. — 2013. — №7. — С. 83-86.

Обзор методов измерения интегральных радиационных характеристик материалов, проведенный в статьях показывает, что имеются следующие задачи для создания упрощенных методов измерения [1–2].

Так в широко используемом «радиационном методе» необходимо измерение трех параметров — температуры и плотности потока излучения, а также конвективных теплопотерь (при исключении конвективных теплопотерь, как видно необходимо измерение двух величин). Для исключения конвективных теплопотерь и необходимости измерения потока излучения в работах [3–4] была предложена упрощенная нестационарная методика определения интегральной излучательной способности (eT). Где предлагалось исключение конвективных теплопотерь за счет проведения эксперимента одновременного с двумя образцами — один с известной eT, второй рабочий. Обе методики были основаны на том, что при одинаковых температурах и для одинаковых перепадов температур оба образца имеют одинаковые конвективные теплопотери. Однако, как известно для нестационарных методов необходимы образцы с одинаковыми размерами и с известными теплофизическими характеристиками (теплоемкость, масса), при этом также необходимо измерять время. Оба эти методы были предложены, но не были реализованы, не была проведена и оценка погрешности этих методов.

Анализ показал, что возможно развитие предложенных выше методов и разработка на этой основе стационарного метода — измерение излучательной способности по равновесным температурам. Схема нашего стационарного метода приведена на рис.1. Его особенность заключается в следующем. Берутся две тонкие плоские пластины, из одного рабочего материала толщиной порядка 1–5мм и одна из них покрывается сажей. Эти образцы, рабочий и «черный» нагреваются с помощью источника излучения. Измеряются равновесные температуры образцов. Далее, учитывая, что перепады температур в образцах малы, меньше 0.1градуса, а также пренебрегая теплопотерями через боковые стороны пластин и теплопотери через опорные ножки можем записать следующие уравнения баланса.

2*e1*s*Т4 +2* αК1*(Т-Т0) = α1*ЕС + 2*e1*s*ТП4                                                               (1)

2*e2*s*Та4 +2*αК2*а0) = α2*ЕС + 2*e1*s*ТП4                                                              (2)

Рис. 1. Схема определения eT по равновесным температурам.

При температурах источника близких к температурам нагрева можно также считать, что

α1 = e1 и α2 = e2                                                                                                                                                  (3)

В этих уравнениях известны температуры образца и «АЧТ», температуры стен (измеряются), температура окружающего воздуха, измеряется и плотность падающего излучения E, а неизвестными являются коэффициенты конвективной теплоотдачи αК1, αК2.

Т. е. из уравнения (2) мы определяем коэффициент конвективной теплоотдачи αК2. Найдем связь между αК2 и αК1. В общем, характер конвективной теплоотдачи на обоих образцах одинаков (одинаковые условия), поэтому различия между ними обусловлены различием в температурах рабочего образца и «АЧТ». Зависимость коэффициента конвективной теплоотдачи от температуры для плоских пластин, охлаждаемых сверху, приведена на рис.2.

Рис. 2. Зависимость коэффициента естественной конвективной теплоотдачи от температуры плоской пластины охлаждаемой сверху.

Как показали предварительные эксперименты различие между температурами рабочего образца и «АЧТ» находится на уровне 10–150, при этом как следует из рис.2. различие между αК2 и αК1 не превышает 5 %. Т. е. можно принять, что αК1 = αК2. Тогда определяя αК2 из (2) и подставляя вместо αК1 из (1) определяем излучательную способность образца. Отметим, что в случае вынужденной конвекции коэффициент теплоотдачи не зависит от температуры образцов, а зависит только от температуры окружающего воздуха.

Оценим основные составляющие относительной погрешности метода d. Они складываются из следующих случайных погрешностей:

Погрешность допущения о малости теплопотерь с боковой поверхности — dS = 100 % *(SБ/(2*S) = 100 %, которая при rS = 30мм и h = 2мм равна dS = 100 % (h /rS) = 100*0.033 = 3.3 %;

Погрешность определение температур образца и «АЧТ» термопарами — dTO = 100 % *(0.5/90) = 0.6 %;

Погрешность определения плотности падающего потока –dПАД 5 % (по паспорту);

Погрешность определение температура окружающего воздуха — dВ = 100 % *(0.2/25) = 0.8 %;

Погрешность допущения, что αК1 = αК2 составляет в случае естественной конвекции –dαК = 5 %, в случае вынужденной конвекции dαК = 0 %;

Погрешность определения температуры «стен» — d = 100 %*(0.5/30) — 1.7 %;

Суммарную относительную погрешность d будем определять по формуле [5].

d = (dS2 + dTO2 +dTАЧТ2 +dПАД2 +dВ2+dαК2 +d2)0.5 = 8 % (4)

Следовательно, практически для всех тел можно определить интегральную излучательную способность и параметр селективности к солнечному излучению по её равновесной температуре, причем, так как равновесные температуры серого и черного тела одинаковы, то в качестве серого тела можно использовать зачерненный рабочий образец.

На рис.3 приведена схема установки для измерения излучательной способности, где: 1 — образец eT, которого необходимо определить; 2 — «черный» образец с известной eT; 3 — термопары типа ХА; 4 — переключатель; 5 — вольтметр; 6 — термометр; 7 — датчик для измерения потока излучения типа ФОА 022, 8 — распределенный источник излучения, 9 — стандартный актинометр для измерения прямой солнечной радиации с системой автоматического слежения за Солнцем.

Рис. 3. Схема установки для определения излучательной способности.

При разработке экспериментальной установки учитывались требования разработанной методики (см. [1]) — обеспечение равномерного потока на образцах, возможность исключения влияния на образцы остаточного излучения от источника после его выключения (при достижении образцами равновесной температуры), этим и было обусловлено использование кварцевых галогенных ламп, максимально возможное исключение утечек тепла через держатели образцов (игольчатые опоры для образцов), а также обеспечения возможности выполнения при измерениях условия равенства излучательной и поглощательной способности материала (за счет изменения температуры источника излучения). Общий вид экспериментальной установки для измерения излучательной способности eT различных непрозрачных материалов приведен на рис.4.

Рис. 4. Экспериментальная установка для определения излуательной способности.

Порядок экспериментального определения eT по разработанной выше методике заключался в следующем. На опорные ножки установки ставятся две пластины (рабочий и «черный») с предварительно закрепленными на их нижней стороны термопарами. Далее включается источник и по достижении образцами равновесных температур источник выключается. На основе полученных данных определяются

коэффициент конвективного теплообмена для черного образца

αК = [eТ.АЧТ*С -2*s*АЧТ4 — ТB4)] / [2*АЧТ — ТB)]                                                      (5)

излучательная способность рабочего материала

 eТ.ОБР = [2*αК*ОБР0)] / (ЕС -2*s*ОБР4 — ТB4)                                                             (6)

Для проверки экспериментальной установки и отработки методики вначале были проведены измерения eT различных материалов с известными eT медная и алюминиевая пластины. Было получено для медной пластины eT = 0.44, а для алюминиевой eT = 0.32. Эти данные с погрешностью от 8 % до 15 % согласуются с приведенными в литературе [2–4]. Большие отклонения значений eT были обусловлены с тем, что в эксперименте использовались реальные пластины, и которые специально не обрабатывались. Далее, после отработки метода были исследованы излучательные способности некоторых широко применяемых материалов — краски (белая, красная, зеленая, синяя, черная и серая эмали) и строительные материалы (гипс, шамот, известняк). Цель этих исследований заключалась в определении в последующем их поглощательной способности к солнечному излучению.

Литература:

1.                 Абдурахманов А., Тураева У. Ф., Клычев Ш. И. Методика определения интегральной излучательной способности приемников солнечного излучения. // Гелиотехника, 2009. — № 4. — С. 62–64.

2.                 Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. — М.: Энергия, 1977. — 344с.

3.                 Спэрроу Э. М., Сесс Р. Д., Теплообмен излучением. — М.: Энергия, 1977. — 294с.

4.                 Теплоэнергетика и теплотехника, Общие вопросы, книга 1, Справочник под ред. Григорьева В. А., Зорина В. М., — М.: Энергоиздат, 1987. — 455с.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle