CC BY
3
УДК 621.432.3
Хисматуллин Р. Ф. лаборант научно-исслед. лаборатории «СТиВПС» Казанский государственный энергетический университет
Россия, г. Казань
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА И УСТАНОВКА ДЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ
СПОСОБНОСТИ
Аннотация: В данной статье рассматривается экспериментальная методика и установка для исследования спектральной излучательной способности.
Ключевые слова: Спектрометра ИКС-24, моно-хроматор, степень черноты, печь, тепловой баланс.
Hismatullin R.F., laborant laboratory "STiVPS" Kazan State Power Engineering University
Russia, Kazan
EXPERIMENTAL METHODS AND APPARATUS FOR STUDYING THE SPECTRAL EMITTANCE
Annotation: This article discusses the experimental method and apparatus for the study of the spectral emissivity.
Keywords: Spectrometer X-24, a mono-monochromator, the degree of black, furnace, heat balance.
По теории и используемым методам теплообмен излучением уже давно превратился в самостоятельную область научных исследований со своей спецификой и проблематикой.
Значение радиационного теплообмена возрастает с повышением температуры излучающих объектов, эмиссионных свойств рабочих сред и их параметров.
Наряду с этим возрастают требования к точности расчетов лучистого теплообмена, которые напрямую зависят от первичных радиационных характеристик материалов и параметров рабочих сред (шероховатости, степени окисления).
Важная роль в уточнении методов расчета лучистого теплообмена принадлежит экспериментальным исследованиям спектральной излучательной способности материалов.
Однако ощущается явный недостаток в надежных экспериментальных данных по спектральным излучательным свойствам сталей и огнеупорных материалов.
Поэтому разработка конкретной экспериментальной методики и установки для исследования излучательной способности материалов при повышенных температурах является актуальной.
Излагаемая в настоящей работе методика измерений спектральной излучательной способности основана на использовании оптической схемы
спектрометра ИКС-24 (рис. 1).
В схеме спектрометра ИКС-24 сохранен двухлучевой осветитель (рис. 1).
Это позволило производить более качественную предварительную настройку спектрометра и градуировку его по длинам волн, для проведения которой зеркала 5 выдвигаются, освобождая оптический путь лучей от осветителя 1 к монохроматору 2.
После градуирования по длинам волн зеркала 5 устанавливаются на прежнее место и производится приближенное уравнивание потоков излучения от печей, используемых в качестве абсолютно черных тел по обоим каналам.
После процедуры уравнивания потоков излучения, в один канал устанавливается исследуемый образец, нагреваемый печью - абсолютно черным телом - и с помощью регистрирующего устройства ИКС-24 записывается величина разбаланса оптического канала образца по отношению к каналу с абсолютно черным телом во всем диапазоне длин волн.
Рис. 1. Принципиальная схема установки для измерений спектральной излучательной способности материалов: 1 - осветитель ИКС-24; 2 - моно-хроматор ИКС-24; 3 - печь - абсолютно черное тело; 4 - нагреваемый образец; 5 - зеркало; 6 - водоохлаждаемый экран; 7 - заслонка
Ниже рассматривается вывод формулы, по которой можно обрабатывать первичные показания спектрометра, избегая длительного процесса уравнивания температур поверхности образца и излучающей полости -абсолютно черного тела.
Эти уравнения для каналов образца и сравнения записываются как (нижние индексы X опускаем):
в(Т)г3Е0(Т)+г3Еф-1+в3 Е0(Тф)+Еф-2-Еп=ВС1, (1)
в0(Т0) г3Е0(Т0)+ г3Еф-1+в3 Е0(Тф)+ Еф-2-Еп=ВС2 (2)
где в, Т - степень черноты образца и его температура; в0, Е0, Т0 - степень черноты, плотность излучения и температура абсолютно черного тела;г3, в3, - отражательная и излучательная способности зеркала 5 (рис.1);Тф, Еф-1, Еф-2 - температура и плотности фонового излучения до и после зеркала 5; Еп, В, С1, С2 - обратный тепловой поток, постоянная приемника и аппаратные функции в первом и втором каналах.
Из принципа работы двухлучевого спектрофотометра известно, что в каждый момент времени лучистые потоки, падающие на приемник излучения, уравниваются в обоих каналах при помощи фотометрического клина, то есть : ВС1 = ОкВС2,
где Ок - доля пропускания излучения при помощи фотометрического клина.
Для пропускания Ок, отражения ^к и поглощения Ак можно записать Ок+Як+Ак=1.
Учитывая, что Ак=вк, из равенства потоков в первом и втором каналах получаем:
0к[в0(Т0)г3Еф-1+в3Е0(Еф)+Еф-2]+вкЕ0(Тф)-0квкЕ0(Тф)= =в(Т)г3Е0(Т)+в3Еф-1+в3Е0(Тф)+Еф-2. (3)
С погрешностью +0,5 % (при Т=1000 К) можно записать:
0кв0(Т0) Е0(Т0)=в(Т) Е0(Т), откуда : в(Т)= 0кв0(Т0) Е0(Т0)/ Е0(Т).
Окончательно получаем:
в(Т)=[(ехр(с2/ХТ)-1 )/(ехр(с2/ХТ0)- 1]0кв0(Т0), (4)
где с2 - вторая константа излучения Планка, X - длина волны. Эффективная степень черноты используемой трубчатой модели абсолютно черного тела составляет: в0 = 0,99.
Плотность фонового излучения представляет собой рассеянный от посторонних источников и от нагревательной печи тепловой поток, не относящийся к излучательной способности непосредственно самого образца.
Таким образом, формула (4) позволяет определять спектральную излучательную способность материалов в(Х,Т) на основе показаний
спектрофотометра Dк для зарегистрированной длины волны X и измеренных на момент записи спектра значений температуры поверхности образца T и температуры излучающей полости абсолютно черного тела Ю.
Значения спектральной излучательной способности материалов s(X,I) относятся к температуре поверхности образца T.
Исходные характеристики состояния поверхности исследуемых образцов при спектральных измерениях определяются теми же способами, что и в случае интегральных измерений.
Разработанная методика может быть воспроизведена с помощью других типов спектрофотометров отечественного и зарубежного производства.
Измерение температуры поверхностей исследуемых образцов и излучающей полости абсолютно черного тела измеряется хромель-копелевыми или хромель-алюмелевыми термопарами.
Дополнительный контроль измеряемой температуры абсолютно черного тела производится с помощью оптических бесконтактных методов пирометрами полного излучения, например, ТЕРА-50 и ОППИР-17 в зависимости от температурного диапазона.
Использованные источники:
1. Misbakhov R.S., Moskalenko N.I., Bagautdinov I.Z., Gureev V.M., Ermakov A.M. Numerical studies into hydrodynamics and heat exchange in heat exchangers using helical square and oval Biosciences Biotechnology Research Asia. 2015. Т. 12. С. 719-724.
2. Гуреев В.М., Ермаков А.М., Мисбахов Р.Ш., Москаленко Н.И. Xисленное моделирование кожухотрубного теплообменного аппарата с кольцевыми и полукольцевыми выемками. // Промышленная энергетика. 2014. № 11. С. 1316.
УДК 621.432.3
Хисматуллин Р. Ф. лаборант научно-исслед. лаборатории «СТиВПС» Казанский государственный энергетический университет
Россия, г. Казань РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Аннотация: В статье рассматривается расчет погрешностей экспериментов при определении излучательной способности.
Ключевые слова: Поверхностей нагрева, погрешность, приемка излучений, плотности энергии
Hismatullin R.F., laborant laboratory "STiVPS" Kazan State Power Engineering University
Russia, Kazan CALCULATION OF ERRORS OF EXPERIMENTS
Annotation: The article deals with the calculation of experimental error in determining emissivity.
