1. Nagrzewanie radiacyjne

Transkrypt

1 WYZNACZANIE SPRAWNOŚCI PROMIENNIKOWEJ KOMORY GRZEJNEJ. Nagrzeanie radiacyjne Promiennioe urządzenia grzejne opierają się na yorzystaniu zjaisa promienioania cieplnego i luminescencyjnego emitoanego przez specjalne źródła promienioania. Ja iadomo, szystie ciała o temperaturze yższej od zera bezzględnego są źródłami promienioania eletromagnetycznego. Mogą one rónież pochłaniać promienioanie, obec czego szystie ciała są jednocześnie odbiorniami promienioania. Umonie źródłami promienioania uładach termoinetycznych nazyamy ciała charateryzujące się yższą temperaturą. Pojęcie promienioania temperaturoego odnosi się do promienioania yołanego jedynie temperaturą ciał. Na ogół utożsamia się promienioanie temperaturoe z promienioaniem podczeronym. Nie jest to jedna definicja ścisła, ponieaż promienioanie temperaturoe ystępuje najyraźniej zaresie długości fal od.µ m do 4 µ m, a ięc zaiera się granicach promienioania ultrafioletoego, idzialnego i podczeronego. W energetyce podział ten nie jest istotny, ponieaż zdolność do przemiany energii cieplnej promienistą i na odrót ystępuje całym zaresie faloym. Pod zględem ilościoym najbardziej istotny jest zares. - µ m, czyli tz. zares blisiej podczerieni. Nagrzeanie radiacyjne jest nagrzeaniem pośrednim, ponieaż mamy do czynienia z durotną przemianą energii. Energia eletryczna zamieniana jest ciepło źródle promienioania. Następnie energia transportoana jest za pośrednictem fal eletromagnetycznych do sadu, gdzie następuje jej absorpcja i przemiana ciepło. Źródłami promienioania cieplnego urządzeniach eletrotermicznych są promiennii eletryczne, emitujące energię radiacyjną i ysyłające ją pożądanym ierunu. Promiennii przeazują energię do otoczenia nie tylo na drodze promienioania. Na bilans cieplny całego uładu ma pły zaróno onecja, ja i przeodzenie. Dla yróżnienia promiennioych urządzeń grzejnych, przyjęto, iż udział radiacji musi ynosić co najmniej 5%... Podstaoe praa radiacji Promienioanie temperaturoe jest promienioaniem eletromagnetycznym. Podlega ięc ogólnym zasadom ruchu faloego: T (.) f c (.) T Prao Kirchoffa stierdza, że emisyjność całoita poierzchni ciała (zdolność do emisji promienioania cieplnego) róna jest absorpcyjności: ε A (.3)

2 Prao to oboiązuje zaróno stosunu do źródeł promienioania, ja i do nagrzeanych sadó. Prao Kirchoffa postaci oreślonej zależnością (.3) oboiązuje dla ciał czarnych i szarych, czyli taich, dla tórych artość emisyjności nie zależy od długości fali ( ε const ). W przypadu tz. ciał barnych (promieniujących seletynie), słuszna jest zależność: przy czym ε f ( ) ε A (.4) Prao Planca yraża zależność między monochromatyczną gęstością strumienia 3 cieplnego [ W /m ], długością fali promienioania [m], oraz bezzględną temperaturą poierzchni promieniującej T [K]. Wielość nie jest objętościoą gęstością strumienia ciepła. Jest to ielość oreślająca tz. ypromienioanie z jednosti poierzchni ciała [ m ] fali o długości [m]. ε c c 5 e T (.5) 6 przy czym c W m m K. - piersza stała zoru Planca; c. - druga stała zoru Planca; - długość fali [m]; ε - emisyjność monochromatyczna. Prao Planca ma zastosoanie zaróno odniesieniu do źródeł promienioania, ja i odbiornió. Graficzną ilustrację tego praa poazano na rys... Znajomość f(, T) Rys... Prao Planca ma istotne znaczenie przy yborze źródła promienioania. Źródło musi być ta dobrane, by emitoało najięsze artości tych zaresach fal, tóre są najintensyniej pochłaniane przez sad. Wiadomo boiem, że absorpcyjność sadu dla ciał technicznych jest najczęściej funcją. Praidłoe dopasoanie źródła promienioania do sadu jest podstaoym elementem decydującym o spraności uładu promiennioego.

3 Prao przesunięć Wiena słuszne jest dla ciał czarnych i szarych. Oreśla ono zależność między długością fali, przy tórej monochromatyczna gęstość strumienia cieplnego osiąga masymalną artość, a temperaturą bezzględną ciała promieniującego T (linia przeryana na rys..) max (.6) T W zależności (.6) długość fali oreślona jest [m] przy temperaturze podaanej sali bezzględnej. Prao Stefana Boltzmanna oreśla ziąze między całoitą gęstością strumienia cieplnego emitoanego przez źródło promienioania i temperaturą bezzględną poierzchni promieniującej: Dla ciał szarych oboiązuje tedy zależność: ε ( ) d (.7) 8 4 gdzie: W ( m K ) / ε σ (.8) 4 T σ - stała Stefana. Prao Lamberta (ściślej ierunoe prao Lamberta) stierdza, że moc d docierająca do poierzchni elementarnej f, a ypromienioana z elementarnej P c, f, f poierzchni f ierunu torzącym ąt Φ z normalną do f róna jest iloczynoi mocy ypromienioyanej ierunu normalnym do poierzchni f (artość d P c, f, n masymalna rozsył Lambertosi), oraz cosφ. d Pc, f, f d Pc, f, n cosφ (.9) Kierunoe prao Lamberta ścisłe jest jedynie dla ciał dosonale czarnych (indesy c ). Zależność (.9) dobrze opisuje rónież rozsył promienioania z ciał o poierzchniach matoych, oraz dosonale rozpraszających. Najięsze odstępsta yazują metale poleroane charateryzujące się odbiciem ierunoym. Wymianę ciepła przez promienioanie między źródłem o poierzchni F, temperaturze T i emisyjności całoitej ε, oraz odbiorniiem o parametrach F, T i ε opisuje zależność: 4 4 * 4 4 * ( T T ) F ϕ σ ( T T ) F σ, ϕ, P (.) Przy czym zastępczy spółczynni onfiguracji ogólnym przypadu oreśla się z poniższej zależności: 3

4 ϕ *, ε ε ϕ, ϕ (.) ( ε ) ϕ ( ε ) ϕ + ( ε )( ε )( ϕ ϕ ϕ ),,,,,, Występujące e zorze (.) spółczynnii ϕ x, x i ϕ x, y są średnimi spółczynniami onfiguracji (łasne i zajemne) między całoitymi poierzchniami * źródła F i odbiornia F. Chcąc obliczyć zastępczy spółczynni onfiguracji ϕ,, należy zależności (.) zamiast spółczynnia ϕ, staić ϕ,. Zależność (.) jest słuszna dla ciał dosonale czarnych, oraz szarych. Nagrzeanie sadu metodą radiacyjną polega na absorpcji energii promienioania przez sad i zamianie energii na energię enętrzną ciała. Pochłanianie energii promienistej opisane jest zanioym praem Lamberta, edług tórego gęstość strumienia cieplnego niającego głąb sadu ( ierunu prostopadłym do poierzchni) x zmniejsza się yładniczo (.). αx e (.) x Współczynni α [/m] zależności (.) jest tz. pochłanialnością materiału. Zależność (.) jest słuszna, gdy spółczynni α nie jest zależny od długości fali, lub przypadu promienioania monochromatycznego..3. Właściości promienne ciał stałych W celu scharateryzoania zdolności ysyłania promienioania przez ciało oreślonych arunach, proadzono bezymiaroy spółczynni porónujący promienioanie danego ciała z promienioaniem ciała dosonale czarnego tych samych arunach. Kierunoa emisyjność monochromatyczna poierzchni ( ierunu odchylonym o ąt β od normalnej do poierzchni) definioana jest jao stosune intensyności emisji promienioania rzeczyistej poierzchni do intensyności emisji promienioania ciała dosonale czarnego tym samym ierunu: ε β Mβ (.3) M cβ W szczególnym przypadu jest to normalna emisyjność monochromatyczna, gdy jest rozpatryana ierunu prostopadłym do poierzchni emitującej promienioanie: M ε (.4) Mc Często podaana jest ierunoa emisyjność panchromatyczna: 4

5 ε β M ε M d π β cβ σ 4 cβ T cosβ ε β M cβ d (.5) Półsferyczna emisyjność monochromatyczna zdefinioana jest jao stosune gęstości strumienia emisji monochromatycznej poierzchni rzeczyistej do gęstości strumienia emisji monochromatycznej ciała dosonale czarnego: ε c π ε β π cosβdω (.6) Półsferyczna emisyjność panchromatyczna yznaczana jest na podstaie zależności (.7). ε c σ T ε d cosβdω 4 β c 4 c β σ π π T π e d ε cosβdω (.7) Zależność między emisyjnością i absorpcyjnością poierzchni oreśla się na podstaie praa Kirchoffa. Wynia stąd, iż ciała czarne mają nie tylo najięszą zdolność do pochłaniania, ale i emitoania promienioania cieplnego. Poierzchnie ciał stałych częścioo pochłaniają, częścioo odbijają i częścioo przepuszczają padające nań promienioanie. Zjaiso to charateryzoane jest przez absorpcyjność a, reflesyjność r i przepuszczalność p rozpatryanego ciała. φa φ φ r p + + (.8) φd φd φd Współczynni pochłaniania: φ a φd Współczynni odbicia: φ r φd Współczynni przepuszczania (transmisji): φp p (.) φ a (.9) r (.) d Przepuszczalność ięszości ciał stałych jest bardzo nieiela. Metale pochłaniają promienioanie poierzchnioej arstie grubości rónej części mironó. Dieletryi arstie rónej części milimetra. Naet materiały przepuszczające promienioanie idzialne (szło, arc) bardzo doładnie pochłaniają promienioanie termiczne. Czyli dla ciał stałych można przyjąć, że pochłanianie promienioania odbya się cieniej arstie przypoierzchnioej, czyli można tratoać je jao ciała nieprzezroczyste (p). 5

6 . Stanoiso laboratoryjne. Stanoiso laboratoryjne podzielić można na die zasadnicze części: - promiennioe urządzenie grzejne - uład pomiaroy.. Promiennioe urządzenie grzejne W ćiczeniu yorzystyane jest handloe urządzenie prod. RESEARCH INC (USA), sład tórego chodzą: - Piec promiennioy - Steroni rozruchoy - Tyrystoroy regulator mocy (PHASER) - Regulator temperatury (THERMAC) - Steroni programoy (DATA TRAK) Schemat blooy urządzenia poazano na rys... Rys... Schemat blooy promiennioego urządzenia grzejnego... Piec promiennioy W zastosoanym urządzeniu elementem yonaczym jest promiennioa omora grzejna (piec promiennioy) yposażona halogenoych promiennió podczerieni LH-8 prod. POLAM W-a. Dane atalogoe promiennió: - napięcie znamionoe 3 V - moc znamionoa W - strumień śietlny 7 lm - temperatura baroa 4 K - trałość 5 h 6

7 Żarnii promiennió yonano postaci sręti olframoej. Sręta umieszczona jest rurce arcoej. Temperatura robocza sręte poinna zaierać się granicach K. Promiennii połączone są uładzie szeregoo rónoległym, ja na rys... Każdy z promiennió yposażono indyidualny odbłyśni paraboliczny yonany z poleroanego aluminium. Odbłyśnii chłodzone są odą. Wygląd pieca promiennioego przedstaiono na rys..3. Rys... Schemat połączenia eletrycznych promiennió podczerieni piecu. Rys..3. Wygląd promiennioej omory grzejnej.... Steroni rozruchoy Zespół ten służy do uruchamiania i zatrzymyania urządzenia promiennioego. Wyłączni dźignioy umieszczony dolnej części szafy steroniczej służy do załączania i yłączania napięcia zasilającego obody steroania pieca. Obecność napięcia sygnalizoana jest za pomocą lampi POWER. Komorę grzejną można uruchomić za pomocą przełącznia pozycji RUN umieszczonego na płycie czołoej. Zasilanie omory grzejnej sygnalizoane jest zapaleniem się ontroli RUN. Wyłączenie napięcia zasilania omory grzejnej realizoane jest za pomocą przycisu STOP. 7

8 ..3. Tyrystoroy regulator mocy W urządzeniu zastosoano regulator mocy PHASER model SPR 4/4 o następujących danych znamionoych: - napięcie zasilania 4 V - masymalna artość prądu 4 A - masymalna moc 33.6 W Sygnałem yjścioym z regulatora jest reguloane jednofazoe napięcie przemienne, proporcjonalne do zenętrznego stałonapięcioego sygnału sterującego. Schemat blooy regulatora poazano na rys..4. Rys..4. schemat blooy regulatora mocy. Wartość napięcia na yjściu regulatora zmienia się od zera do artości napięcia zasilającego. 3. Cel ćiczenia Celem ćiczenia jest pomiar mocy i spraności promiennioej omory grzejnej. Dodatoym zadaniem jest zbadanie radiacyjnych łaściości próbe yonanych z różnych materiałó, oraz spradzenie uładu regulacji temperatury pracującego urządzeniu. 4. Program badań 4.. Pomiary mocy użytecznej i spraności promiennioej omory grzejnej Pomiary przeproadzane są metodą alorymetryczną. Schemat uładu pomiaroego przedstaiono na rys

9 Rys. 4.. Schemat uładu do pomiaru temperatury i natężenia przepłyu ody Uład umieszczony jest na tablicy, na tórej umieszczono: - 3 termometry rtęcioe o zaresie - 6 C - rotametry, tórych rzye saloania poazano załączniu. - alorymetr przelotoy miedziany - zaory uloe do regulacji natężenia przepłyu ody - przeody łączące Pomiary mocy użytecznej ( ) u P, oraz mocy traconej omorze promiennioej ( P ) yznacza się na podstaie ciepła zaumuloanego odzie przepłyającej przez alorymetr, oraz odzie chłodzącej odbłyśnii pieca: Q Q u ( t t ) m c (4.) ( t t ) m c (4.) Odpoiednie artości mocy yznaczyć można na podstaie: ( t t ) Qu mc P u (4.3) τ τ ( t t ) Q m c P (4.4) τ τ W temperaturze t 93K gęstość ody ynosi γ 3 g/ m. Wydate ody definioany jao G m / τ [ g/ s] obliczyć można bezpośrednio z rzyej saloania rotametru ( jednostach [ l/ s] ). Na tej podstaie zależności pozalające na yznaczenie mocy użytecznej i mocy traconej omorze przyjmuj następującą postać: P u ( t t ) G c (4.5) ( t t ) P G c (4.6) 9

10 Spraność cieplną omory grzejnej η c yznacza się jao stosune mocy użytecznej (ydzielonej e sadzie) do całoitej mocy cieplnej omory: Pu η c % (4.7) P + P Spraność całoita omory grzejnej yznaczana jest jao stosune mocy użytecznej do całoitej mocy eletrycznej zamienianej ciepło źródle ciepła (promienniach): u P η u % (4.8) P Uład do pomiaru mocy pobieranej przez promiennii poazano na rys e Rys Uład do pomiaru mocy eletrycznej Pomiary należy yonyać dla ręcznego trybu pracy (MANUAL) regulatora temperatury, dla zróżnicoanych artości mocy dostarczanej do omory (reguloanej potencjometrem MANUAL). Pomiary należy potórzyć ilurotnie dla jednej artości mocy celu yznaczenia artości średniej. Po umieszczeniu alorymetru omorze należy otorzyć zaór ody chłodzącej odbłyśnii, oraz ody przepłyającej przez alorymetr. UWAGA Urządzenie nie może pracoać bez załączonego chłodzenia odbłyśnió. Wynii należy zestaić poniższej tablicy. 4.. Pomiar czasu nagrzeania próbe yonanych z różnych materiałó Pomiary mają na celu yazanie płyu emisyjności poszczególnych materiałó na szybość ich nagrzeania przy stałej artości mocy grzejnej. Pomiary yonyać należy uładzie poazanym na rys. 4.4 Stanoiso yposażone jest 8 różnych próbe, yonanych z: - aluminium o poierzchni: -poleroanej -chropoatej -zaczernionej sadzą - stali o poierzchni: - utlenionej na szaro - utlenionej na brunatno - ocynoanej

11 - mosiądzu - miedzi Rys Uład do pomiaru temperatury sadu Próbi mają zamocoane na stałe termoelementy, ja poazano na rys Rys Sposób umieszczenia ońcóe termoelementó próbach metaloych a- ido ogólny; b- sposób zacisania; c- przyrząd do zacisania Pomiary należy yonyać przy ręcznym trybie pracy (MANUAL), dla taiej samej artości mocy grzejnej nastaianej porętłem MANUAL. W omorze grzejnej umieszcza się po jednej z ilu ybranych próbe i po uruchomieniu pieca mierzy się czas nagrzeania. Wynii pomiaró zestaić edług poniższego zoru. Pomiar próbe o poierzchni... - Moc pobierana przez omorę P e...w - Napięcie zasilające omorę U...V - temperatura początoa próbi t... C - temperatura ońcoa próbi t... C - termoelement:... Naza próbi Czas nagrzeania Średni czas nagrzeania Stal ocynoana Al Mosiądz Cu Stal

12 4.3. Pomiar czasu nagrzeania próbe yonanych z tego samego materiału o różnych stanach poierzchni Badania przeproadza się uładzie ja na rys Do pomiaró yorzystuje się próbi staloe lub aluminioe różniące się stanem poierzchni (stopniem utlenienia, chropoatością). Wynii należy umieścić tablicy edług poniższego zoru. - Moc pobierana przez omorę P e...w - Napięcie zasilające omorę U...V - temperatura początoa próbi t... C - temperatura ońcoa próbi t... C - termoelement:... Stan poierzchni Poleroana Utleniona Chropoata Czas nagrzeania Średni czas nagrzeania 5. Opracoanie ynió pomiaró Po przeproadzeniu badań należy opracoać ynii następujący sposób: - oreślić spraność cieplną i ogólną omory grzejnej funcji mocy eletrycznej spożytoanej na nagrzanie promiennió. - sporządzić yres temperatury próbe funcji czasu nagrzeania - przeproadzić analizę ynió, omóić źródła błędó.