Обработка опытных данных

4. Обработка опытных данных

1. В соответствии с паспортом психрометра по таблицам 11.1 и 11.2 определяются поправки на показания сухого () и мокрого () термометров.

Таблица 11.1. Поправки к показаниям сухого термометра (паспортные данные)

Температура t , C
Поправка , C	-0,1	0,0	+0,1	0,0	+0,1

Таблица 11.2. Поправки к показаниям мокрого термометра (паспортные данные)

Температура t , C
Поправка , C	-0,1	+0,2	-0,1	0,0	+0,1

2. Рассчитываются и записываются в таблицу отчёта истинные температуры по сухому и мокрому термометрам:

t = t + , С (11.11)

t = t + , С (11.12)

=17.8+0.0=17.8; =18+0.0=18; =18+0.0=18; =17.9+0.0=17.9

=11+0.0=11 =11.2+0.0=11.2 =11.3+0.0=11.3 =11.2+0.0=11.2

3. Определяется и записывается в отчёт разность показаний термометров психрометра:

t = t - t , С (11.13)

=17.8-11=6.8 =18-11.2=6.8 =18-11.3=6.7 =17.9-11.2=6.7

4. Пользуясь паспортной таблицей прибора, по величинам t и t опреде-ляется относительная влажность воздуха для установившегося режима.

t = 17,0 С; t = 6,5 С; t = 7,0 С; = 35 %; = 31 %;

t = 18,0 С; t = 6,5 С; t = 7,0 С; = 37 %; = 33 %.

Поправка относительной влажности на фактическую разность

температур ( t =6,7 C):

= = (6.7-6.5) = – 1,6%

Поправка относительной влажности на истинную температуру (t = 15,6 C):

= = (17.9-17) = 1,8 %

Расчётная относительная влажность с поправкой:

= + + = 35 – 1,6 + 1,8 = 35,2 %

В общем случае истинная температура по сухому термометру t и разность показаний термометров психрометра t могут оказаться между табличными значениями: t , t , t , t , t , t , для которых приводятся соответствующие значения относительной влажности , , , . Для повышения точности определения относительной влажности в этом случае необходимо рассчитать поправку на истинную температуру и поправку на истинную разность температур . При этом расчётная относительная влажность определится по формуле

= + + , % (11.14)

Указанные поправки определяются методом интерполирования по формулам:

= , %; (11.15)

= , % (11.16)

5. Результаты расчётов заносятся в таблицу отчёта:

Относитель влажность

(с поправк),

, %

Давление

насыщенных

паров,

p , кПа

Парциальное давление воздуха,

p , кПа

Влагосодержание

воздуха,

г / кг

Энтальпия

влажного воздуха,

кДж / кг

Температура

насыщения

(точка росы), C

35,2

2,05

0,7216

4,54

4,5

29,3

29,4

6. По таблице 11.3 определяется давление насыщенных паров p при температуре окружающего воздуха (t = t ) и записывается в таблицу отчёта.

Таблица 11.3. Состояние воды и пара на линии насыщения (справочные данные)

Температура t , C	0,01
Давление p , кПа	0,61	0,66	0,71	0,76	0,87	0,93	1,00	1,07	1,15	1,22

Температура t , C
Давление p , кПа	1.31	1,40	1,50	1,60	1,82	1,94	2,06	2,20	2,34	2,49

Температура t , C
Давление p , кПа	2,64	2,81	2,98	3,17	3,56	3,78	4,00	4,24	4,49	4,75

7. Изучается I-d диаграмма влажного воздуха (см. рис. 11.2) и для примера определяется:

1) температуре t = 15,6 C соответствует давление насыщения пара

p = 1730 Па;

2) для влажного воздуха при t = 15,6 C и = 43,2 % влагосодержание составляет d = ~ 5 г / кг сух. воздуха.

Влагосодержание d, г на 1кг сухого воздуха

Рис. 11.2. I-d диаграмма влажного воздуха

8. На I-d диаграмме определяется точка, соответствующая опытным значениям параметров t и .

9. По формуле 11.6 рассчитывается влагосодержание воздуха d (относительная влажность воздуха подставляется в долях единицы). d = 0,622 , кг / кг сух. воздуха

d = 0.622 =0.00454

10. По I-d диаграмме для найденных значений t и определяется табличное значение влагосодержания воздуха d в г / кг сух. Воздуха.

d =4.5

11. По формуле рассчитывается теплоёмкость влажного воздуха c .

c = c + c d, кДж / (кг К)

c = 1+1.93*4.54=9.7622

12. По формуле рассчитывается энтальпия влажного воздуха I.

I = [ 1 t + (1,93 t + 2500) d ], кДж / кг

I = 1*17.5+(1.93*17.9+2500)*0.00454=29.3

13. По I-d диаграмме для найденных значений t и d определяется значение энтальпии влажного воздуха I в кДж / кг.

I =29.4

14. По формуле рассчитывается парциальное давление воздуха p .

p = p , кПа.

p = 0.352*2.05=0.7216

15. С помощью таблицы 11.3 определяется температура насыщения (точка росы) t , C. Здесь давление насыщения p = p .

t =2

16. По I-d диаграмме определяется численное значение температуры насыщения t , C.

t =3

17. Результаты расчётов записываются в отчёт.

6. Контрольные вопросы

1.Дать определение понятиям:

1.1. Влажный насыщенный воздух.

Насыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и сухого насыщенного водяного пара.

1.2. Влажный ненасыщенный воздух.

Ненасыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара.

1.3. Абсолютная влажность воздуха.

Абсолютная влажность воздуха – масса водяного пара, содержащегося в 1 м влажного воздуха (плотность пара) при его парциальном давлении и температуре влажного воздуха:, (кг / м).

1.4. Относительная влажность воздуха.

Относительная влажность воздуха – отношение действительной абсолютной влажности воздуха к абсолютной влажности насыщенного воздуха при той же температуре

1.5. Влагосодержание влажного воздуха.

Влагосодержание воздуха – отношение пара (влаги) в воздухе М к массе сухого воздуха М, содержащегося во влажном:

d = =, кг / кг сух. воздуха

1.6. Температура насыщения.

Температура насыщения - температура, при которой начинается кипение воды или конденсация жидкости из пара.

2. Привести параметры, характеризующие тепловлажностное состояние воздуха.

Диаграмма влажного воздуха дает графическое представление о связи параметров влажного воздуха и является основной для определения параметров состояния воздуха и расчета процессов тепловлажностной обработки.

3. Описать принцип действия психрометра.

Психро́метр- прибор для измерения влажности воздуха и его температуры. Скорость испарения влаги увеличивается по мере уменьшения относительной влажности воздуха. Испарение влаги, в свою очередь вызывает охлаждение конденсированной. Таким образом температура влажного объекта уменьшается. По разнице температур воздуха и влажного объекта можно определить скорость испарения, а значит и влажность воздуха. При этом надо учитывать тот факт, что испарившаяся влага остаётся в окрестностях влажного предмета, и таким образом локально увеличивается влажность воздуха. Для устранения этого эффекта при измерении влажности применяют аспирацию (создается поток воздуха над влажным объектом).

4. Привести зависимость, связывающую между собой относительную влажность и влагосодержание воздуха.

5. Какие параметры влажного воздуха определяют возможность выпадения осадков?

6. Какие линии изображаются на I-d-диаграмме влажного воздуха?

Процессы перехода воздуха из одного состояния в другое на поле I-d — диаграммы изображаются прямыми линиями (лучами), проходящими через точки, соответствующие начальному и конечному состоянию влажного воздуха.

Лабораторная работа №12

Определение коэффициента излучения твердого тела

Цель работы: Углубить знания по теории теплового излучения, ознакомиться с методикой опытного определения коэффициента излучения твердого тела и приобрести навыки экспериментальных исследований; выяснить применимость к исследуемому телу закона Стефана-Больцмана, найти величину коэффициента излучения исследуемого материала и степень его черноты.

1. Теория рассматриваемого вопроса

Лучистая энергия возникает за счёт энергии других видов в результате сложных молекулярных и внутриатомных процессов.

Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела.

Лучистым теплообменом называется теплообмен между телами, который осуществляется путём распространения электромагнитных волн.

Количество лучистой энергии в основном зависит от физических свойств и температуры излучающего тела.

Электромагнитные волны различаются длиной своей волны . Тепловые (инфракрасные) лучи представляют собой электромагнитные колебания с длиной волны = 0,8 – 40 мк (1 мк = 0,001 мм).

Лучеиспускание свойственно всем телам. Каждое из них одновременно и непрерывно излучает и поглощает энергию, если его температура не равна 0 К. Лучеиспускание твёрдых тел происходит с их поверхности, при этом, спектр излучения также непрерывен, т.е. испускаются лучи всех длин волн. Газы имеют селективный (избирательный) спектр и излучают всем своим объёмом.

Тело, способное полностью поглощать все падающие на него тепловые лучи и обладающее максимальной способностью к излучению (оба эти свойства связаны между собой), называется абсолютно чёрным телом.

Энергия излучения абсолютно чёрного тела за единицу времени определяется по закону Стефана – Больцмана согласно зависимости:

E = c F, Вт, (12.1)

где F – поверхность излучения тела, м ;

T – абсолютная температура поверхности излучения тела, К;

c – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела; c = 5,67 Вт/(м К ).

В природе абсолютно чёрных тел не существует. Все реальные тела называют «серыми». При одной и той же температуре серые тела излучают энергию меньшей величины, чем абсолютно чёрное тело. Для серых тел энергия излучения определяется по формуле:

E = c F = c F, Вт, (12.2)

где c – коэффициент излучения серого тела, Вт/(м К );

– степень черноты тела, его относительная излучательная способность:

= (12.3)

Величина энергии лучистого теплообмена между двумя серыми телами, когда одно из них с поверхностью F и степенью черноты находится внутри другого с поверхностью F и степенью черноты , определяется с учётом их взаимного облучения по формуле:

Q = c F , Вт (12.4)

Здесь c – приведённый коэффициент излучения:

c = , Вт/м К ; (12.5)

c , c – коэффициенты излучения первого и второго тела:

c ;

T , T – абсолютные температуры первого и второго тела.

Если поверхность F много меньше поверхности F , то отношение в формуле (12.5) можно принять равным нулю, а значит:

c = c = c

Следовательно, уравнение теплообмена (12.4) принимает вид:

Q = cF , Вт (12.6)

Отсюда, при известных экспериментальных значениях величин Q, T , T и F коэффициент излучения серого тела может быть вычислен по формуле:

c = , Вт/м К (12.7)

Коэффициент излучения c реальных веществ не является величиной постоянной. В общем случае этот коэффициент зависит не только от физических свойств вещества, но и от его химического состава, состояния поверхности излучения (в том числе и от её шероховатости), а также от температуры тела и длины волны излучения. Поэтому коэффициент излучения c и степень черноты для серых тел определяют экспериментально, а для расчётов выбирают из справочных таблиц.

В данной работе для экспериментального определения коэффициента излучения c исследуемого тела (первого) используется калориметрический метод. В качестве исследуемого тела рассматривается вольфрамовая спираль электрической лампочки накаливания, помещённой в сосуд с трансформаторным маслом. Ёмкость с маслом и колба лампы являются вторым телом в процессе излучения (поглощающей средой).

Поскольку в опытах температура поглощающей среды T много меньше температуры излучателя T , то ею можно пренебречь и в этом случае формула (12.7) принимает вид:

c = , Вт/м К (12.8)

При этих условиях можно не учитывать также и обратное излучение поглощающей среды на спираль. В связи с этим в эксперименте мощность излучения исследуемого тела (спирали) можно принять равной потребляемой мощности электрической лампочки.

Температура спирали в эксперименте определяется косвенным путём по температурному изменению электрического сопротивления спирали (метод термометра сопротивления). Величина удельного электрического сопротивления вольфрамовой нити спирали в зависимости от её температуры (Т ) приведена на стенде лабораторной работы.

Погрешность такого измерения температуры нити накаливания спирали зависит, главным образом, от класса точности амперметра (k , %) и вольтметра (k , %). Эти классы точности указаны на шкалах приборов цифрой в кружочке. Величина погрешности измерения температуры зависит также от относительной величины измеряемого тока и напряжения . Здесь I и U – наибольшие измеряемые приборами сила тока (I = 3 А) и напряжение (U = 30 В).

Таким образом, учитывая, что в формуле (12.8) температура фигурирует в четвёртой степени, предельную погрешность измерения температуры нити накаливания спирали можно определить с помощью зависимости:

= 4 , % (12.9)

Эта предельная погрешность определяет степень достоверности полученных результатов.

2. Схема лабораторной установки

Опытная установка для определения коэффициента излучения и степени черноты исследуемого тела представлена на рис. 12.1.

Излучающим твёрдым телом в опытной установке является тонкая вольфрамовая нить (с поверхностью излучения F = 0,88 10 м ) электрической лампочки накаливания 1.

Электрическая лампочка (излучатель с колбой) помещена в сосуд 2 с трансформаторным маслом, играющим вместе с колбой роль поглощающей среды.

2 3

~ 220 v

Рис. 12.1. Схема установки

Благодаря наличию вакуума в колбе лампы, передача тепла конвекцией и теплопроводностью здесь практически исключена (теплопроводностью электродов, поддерживающих нить накаливания, можно пренебречь), поэтому между спиралью и поглощающей средой теплообмен происходит только излучением.

Питание от электрической сети к излучателю подводится через выключа-тель 3. Регулировка тока и мощности излучателя производится автотранс-форматором 4. Напряжение и сила тока измеряются вольтметром 5 и амперметром 6.

3. Порядок выполнения работы

1. По результатам подготовки к лабораторной работе привести в отчёте ответы на контрольные вопросы.

2. Ознакомиться на стенде с устройством и работой лабораторной установки.

3. Включить лабораторную установку в электросеть.

4. С помощью автотрансформатора и вольтметра установить минимальное напряжение на излучателе (по указанию преподавателя).

5. Провести исследование работы излучателя при 5-7 режимах (опытах), увеличивая силу тока на каждом следующем режиме на 0,2 А.

6. В процессе исследования рабочие значения силы тока I и напряжения U в электрической цепи излучателя записывать в таблицу отчёта:

№ п.п.	Величины электротока		Расчётные величины для излучателя							Погреш-ность эксперим
	Величины электротока		Мощность Q, Вт	Сопро-тивле-ние R, Ом	Температура			Коэффици-ент c, Вт/м К	Степень черноты
	I, А	U, В			Температура
	I, А	U, В			t, C	T, K
		17.5	52.5	5.8			25.54	2.62	0.46	70.37
	2.5	12.5	31.25				15.94	1.76	0.31
		8.2	16.4	4.1			8.81	1.06	0.19	-9.52
	1.5		7.5	3.3			4.86	0.54	0.09	-47.06

7. По окончании опытов лабораторную установку отключить от электросети.

4. Обработка опытных данных

1. Для каждого опыта определяется и записывается в таблицу отчёта:

1.1. Мощность излучателя (вольфрамовой нити спирали):

Q = I U, Вт (12.10)

Q=3x17.5=52.5

Q=2.5x12.5=31.25

Q=2x8.2=16.4

Q=1.5x5=7.5

1.2. Сопротивление излучателя:

R = , Ом (12.11)

R=17.5/3=5.8

R=12.5/2.5=5

R=8.2/2=4.1

R=5/1.5=3.3

Рабочая температура вольфрамовой нити спирали (по графику на стенде), t, C.

1.4. Абсолютная температура излучателя:

T = t + 273, K (12.12)

T=1975+273=2248

T=1725+273=1998

T=1450+273=1723

T =1212+273=1485

1.5. Коэффициент излучения c по формуле (12.8).

c = =2.62

c = =1.76

c = =1.06

c = =0.54

1.6. Степень черноты излучателя по формуле (12.3).

= =0.46

= =0.31

= =0.19

= =0.09

1.7. Погрешность определения опытных значений :

= , %, (12.13)

= x100=70.37

= x100=24

= x100=-9.52

= x100=-47.06

где – справочное значение степени черноты вольфрамовой нити,

определяемое по графику на рис. (12.2).

0,3

0,2

0,1

0 t, C

600 1000 1400 1800 2200

Рис. 12.2. График зависимости степени черноты вольфрамовой нити

от её температуры

2. Строится график зависимости Q = f .

3. Вычисляется предельная погрешность измерения температуры нити накалива-ния спирали по формуле (12.9).

= 4(0.5 +0.5 )=5.43 %

6. Контрольные вопросы

1. Как возникает лучистая энергия?

2. Как осуществляется лучистый теплообмен?

3. Что является источником теплового излучения?

Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела.

4. Чтобы тело хорошо излучало энергию, каким свойством оно должно обладать?

Количество лучистой энергии в основном зависит от физических свойств и температуры излучающего тела.

5. Каков интервал длин волн тепловых (инфракрасных) лучей?

Электромагнитные волны различаются длиной своей волны. Тепловые (инфракрасные) лучи представляют собой электромагнитные колебания с длиной волны = 0,8 – 40 мк (1 мк = 0,001 мм).

6. Когда тело перестаёт излучать энергию?

Лучеиспускание свойственно всем телам. Каждое из них одновременно и непрерывно излучает и поглощает энергию, если его температура не равна 0К.

7. Какие вещества имеют селективный спектр излучения?

Газы имеют селективный (избирательный) спектр и излучают всем своим объёмом.

8. Как излучают энергию твёрдые тела?

Лучеиспускание твёрдых тел происходит с их поверхности, при этом, спектр излучения также непрерывен, т.е. испускаются лучи всех длин волн.

9. Привести формулу закона Стефана – Больцмана.

E = cF, Вт, (12.1)

где F – поверхность излучения тела, м;

T – абсолютная температура поверхности излучения тела, К;

c – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела; c = 5,67 Вт/(мК).

10. Что положительно влияет на лучистый теплообмен серых тел?

Лучистый теплообмен, радиационный теплообмен, влияет на осуществление результата процессов превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса энергии излучения и её поглощения веществом.

11. Что понимается под степенью черноты серого тела?

12. Что определяет степень достоверности полученных результатов?

13. Подтверждают ли опыты справедливость закона Стефана – Больцмана?

Закон Стефана — Больцмана был хорошо проверен экспериментально. Опыты подтвердили, что к излучению можно применять те же понятия — энергия, температура, которые используются при описании тепловых свойств газа в кинетической теории.

14. Какова достоверность Вашего вывода?

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: