KATEDRA TECHNIKI CIEPLNEJ
Laboratorium Wymiany Ciepła
POMIAR RADIACYJNEGO STRUMIENIA CIEPŁA.
1 Wstęp
Każda powierzchnia o temperaturze powyżej 0 [ K ] otoczona płynem optycznie
przezroczystym wypromieniowuje do otoczenia strumień ciepła będący funkcją jej
temperatury T
w
4
.
Proces ten jest niezależny od zjawisk konwekcyjnych zachodzących na tej samej powierzchni.
Oznacza to, że strumień ciepła przejmowany z powierzchni jest sumą konwekcji i
promieniowania czyli:
Q = Q
k
+ Q
r
Konwekcje opisuje równanie
Q
k
=
k
(T
w
– T
f
) A
gdzie:
k
– wspólczynnik przejmowania ciepła wyznaczony z równań kryterialnych
T
w
– temperatura powierzchni
T
f
– temperatura płynu
A – powierzchnia
Radiacyjny strumień ciepła określa równanie
Q
r
=
1-2
A C
o
[(T
w
/100)
4
– (T
∞
/100)
4
]
gdzie:
1-2
= 1 / [ 1/
1
+ A/A
∞
(1/
2
– 1)] – efektywny współczynnik emisji układu
powierzchni A otoczonej powierzchnią A
∞
1
– współczynnik emisji powierzchni A
2
– wspólczynnik emisji powierzchni A
∞
otaczającej powierzchnie A
C = 5.76 [W/m
2
K
4
] – stała promieniowania
W oparciu o te równania można wyznaczyć zastępczy radiacyjny współczynnik
przejmowania ciepła
r
= Q
r
/ [(T
w
– T
f
) A]
W rezultacie łączny strumień ciepła przekazywany do otoczenia można wyznaczyć z
równania
Q = (
k
+
r
) ( T
w
– T
f
) A
zakładają, że T
∞
= T
f
2. Pomiar radiacyjnego strumienia ciepła.
Układ pomiarowy składa się z dwóch kul o średnicy D = 50 mm różniących się
emisyjnością powierzchni. Powierzchnia jednej kuli pokryta jest polerowanym chromem
1
= 0.1 a druga czarnym matowym lakierem o emisyjnosci
1
= 0.96.
Kula wykonana jest z miedzi co zapewnia izotermiczność jej powierzchni przy
umiarkowanych intensywnościach konwekcji. Kulki grzane są prądem elektrycznym z
zasilaczy prądu stałego z jednoczesnym pomiarem prądu I i napięcia U.
Wartości wielkości mierzonych rejestruje cyfrowy system akwizycji danych pomiarowych.
Pomiar wykonyjemy w warunkach stanu ustalonego utrzymując równe temperatury obu
powierzchni. W tych warunkach konwkcyjny strumień ciepła na obu kulach będzie taki sam.
Stąd różnica mocy elektrycznej zasilającej obie kulki jest efektem większej radiacji z czarnej
kulki tzn.
Q = Q
0.96
–Q
0.1
= [Q
k
+ Q
r
]
0.96
– [Q
k
+ Q
r
]
0.1
= [Q
r
]
0.96
– [Q
r
]
0.1
Po podstawieniu relacji na radiacyjny strumień ciepła mamy
Q = [
1-2
]
0.96
A C
o
[(T
w
/100)
4
– (T
f
/100)
4
] – [
1-2
]
0.1
A C
o
[(T
w
/100)
4
– (T
f
/100)
4
]
stąd
Q =
{
[
1-2
]
0.96
– [
1-2
]
0.1
}
A C
o
[(T
w
/100)
4
– (T
f
/100)
4
]
Zakładając, że iloraz A/A
∞
≈ 0 mamy
Q = [
0.96
–
0.1
] A C
o
[(T
w
/100)
4
– (T
f
/100)
4
]
Przyjmując tablicowe wartości dla polerowanego chromu
0.1
= 0.1 i dla czarnego matowego
lakieru
0.96
= 0.96 mamy wartość obliczeniową
Q = [0.96 – 0.1] A C
o
[(T
w
/100)
4
– (T
f
/100)
4
]
Mierzą tą wartość jako różnicę mocy zasilania obu kulek możemy wyznaczyć niedokładność
procedury obliczeniowej
Q
oblicz
– Q
pomiar
= --------------------------------- 100 %
Q
pomiar
Podstawowym źródłem powyższej niedokładności jest przybliżony charakter wartości
współczynników emisyjności e odczytywanych z tablic.
Korzystając z wyników pomiarów i obliczeń wyznaczyć zmianę udziału radiacji Q
r
w
całkowitym strumieniu ciepła Q ze wzrostem temperatury powierzchni.
Q
r
R
r
=
[
------
]
T
100 %
Q
.
T
Q
r
/Q
