11.13 Tepelná emisivita betonu

Transkript

1 11.13 Tepelná emisivita betonu Tepelně vyzařují všechna tělesa, jejichž teplota je větší, jak nula stupňů Kelvina (-73,15 o C). K tepelnému záření se vztahují čtyři základní fyzikální zákony: Planckův vyzařovací zákon, Wienův posunovací zákon, Stefan-Boltzmanův zákon a Kirchhoffův zákon. První tři zákony se týkají tepelného záření absolutně černého tělesa (modelové těleso, které vyzařuje nejvíce ze všech těles), avšak Kirchoffův zákon se týká vyzařování především šedých těles (reálná tělesa, která nás obklopují). O těchto zákonech je blíže pojednáno v elektronických skriptech k předmětu CB001, takže by nebylo účelné výklad těchto zákonů opakovat. Na základě Kirchoffova zákona můžeme integrální intenzitu tepelného záření H vydávané povrchem šedých těles vyjádřit pomocí redukované intenzity vydávané absolutně černým tělesem, které má stejnou teplotou povrchu T, jako šedé těleso. Redukci integrální intenzity absolutně černého tělesa H b provádíme integrální emisivitou (vedle integrální emisivity se zavádí také spektrální emisivita, která závisí na vlnové délce tepleného záření). Integrální emisivita je - přibližně řečeno - materiálovou konstantou, jejíž hodnota se pohybuje v intervalu nula až jedna. 8 H T, Hb T 1, (0;1), 5,67 10 Wm - K - (1) Absolutně černý povrch má emisivitu rovnu jedné (vše pohlcuje, nic neodráží), kdežto tuhé šedé povrchy mají emisivitu menší než jedna (částečně pohlcují, částečně odráží, ale nic nepropouští - objemem tuhých těles se teplo šíří vedením, nikoliv zářením). Tepelná emisivita, jakožto materiálová konstanta, hraje významnou roli při výpočtu vyzářené tepelné energie, což je například zcela zásadní při oceňování tepelného přenosu v interiérech budov a výpočtu tepelných ztrát. Emisivita ovšem není konstantou v absolutním smyslu, protože jeví závislost na některých dalších fyzikálních veličinách. K těmto veličinám patří např. teplota povrchu, tvar povrchu (konvexní, konkávní), stav povrchu (hrubý, hladký), vlhkost povrchu, rozsah vyzařovaných vlnových délek tepelného záření, směr vyzařování apod. V této laboratorní práci se zaměříme především na materiálovou závislost integrální emisivity. Hodnoty emisivit budou určovány u vzorku betonu při různých teplotách pomocí dvou teploměrů, z nichž jeden je kontaktní a druhý bezkontaktní. Teploty obou teploměrů se budou lišit, poněvadž bezkontaktní teploměr je cejchován vzhledem k černému tělesu, jehož emisivita je rovna jedné. Tento bezkontaktní teploměr bude mít stabilně nastavenu hodnotu emisivity rovnu jedné, a proto teplotu, kterou bude ukazovat, budeme označovat jako T 1. Kontaktní teploměr nám ukáže skutečnou teplotu vzorku T. Teplota přečtená z bezkontaktního teploměru bude menší, než teplota zjištěná kontaktním teploměrem ( T 1 T ). Obě teploty budeme měřit současně, takže vzorek betonu bude vyzařovat tepelnou energii H T a tuto energii bude registrovat bezkontaktní teploměr H, tj. b T 1 H H b T T 1, T 1 T () Teplota T 1 je vlastně pomyslná teplota, kterou by mělo absolutně černé těleso, kdyby vyzařovalo energii odpovídající šedému tělesu se skutečnou teplotou T. Rovnice () nahrazuje šedé těleso pomyslným černým tělesem. Pomocí poměru teplot () budeme počítat emisivitu. Měření bude probíhat tak, že nejdříve zahřejeme vzorek betonu na teplotu, která bude nejméně o 5 o C nad pokojovou teplotou. K tomu účelu bude k dispozici malý vařič. Teplý 1

2 vzorek se pak pomocí termo-rukavice přemístí z vařiče na měřící místo a počká se, až se setrvačný vzrůst teploty vzorku zastaví. Jakmile teplota vzorku poklesne o 3 o C, zahájí se měření v předepsaných časových intervalech oběma teploměry současně. K tomuto způsobu měření je ale nutné dodat, že měření pomocí bezkontaktního teploměru je ovlivněno radiační teplotou okolí, která je blízká pokojové teplotě. Vliv radiační teploty na měření lze jen stěží eliminovat, a proto zahříváme vzorek dostatečně vysoko nad pokojovou teplotu, abychom dostatečně zesílili zářivý tepelný "signál" ze vzorku, který se tak stává dominantní, kdežto radiační "signál" z okolí je pak jen druhořadý a lze jej zanedbat. To ovšem platí jen pro dostatečně vysoké teploty vzorku. Jakmile se chladnoucí vzorek začne přibližovat pokojové teplotě, oba "signály" se stávají srovnatelně silné a při teplotě vzorku dostatečně blízké k pokojové teplotě začne radiační "signál" dominovat a emisivita vzorku je pak neměřitelná, protože se měří vlastně jen vliv okolí. Toto chování lze pozorovat na obou měřených teplotách T a T 1. S chladnoucím vzorkem se rozdíl mezi teplotami zmenšuje, až u teplot vzorku dostatečně blízkých k pokojové teplotě se hodnoty T a T 1 vyrovnávají, takže hodnota emisivity počítaná podle poměru () se přibližuje jedničce, což je známkou toho, že jsme se dostali do dominantního vlivu okolní radiační teploty a výsledky měření pak již nelze považovat za věrohodné. Úkol: 1) Stanovte hodnoty tepelné emisivity vzorku betonu při různých teplotách materiálu. ) Ověřte vliv radiační teploty okolí, tj. ověřte postupné vyrovnávání teplot T a T 1 v závislosti na chladnoucím vzorku. Vyneste graf závislosti T f( T), kde T T T 1. Graf proložte polynomem druhého stupně T c bt at (metoda nejmenších čtverců) a z podmínky T 0 vypočítejte teplotu Tmin, při které je experiment řízen dominantně radiační teplotou okolí. 3) Vyneste graf závislosti emisivity na teplotě vzorku f ( T ), proložte jej polynomem druhého stupně cbt at (metoda nejmenších čtverců). Technická literatura (viz tabulka 1) udává hodnoty emisivit betonu 0.88 až 0.93 při teplotě 7 o C. Položením 0,93 vypočítejte z rovnice polynomu teplotu vzorku T max, která v našem experimentu zaručuje pravděpodobnou emisivitu 0,93. Takto zjištěná teplota vzorku nás informuje o tom, kde začíná oblast dominantního působení teplotního "signálu" vzorku a kdy je upozaděn vliv radiační teploty laboratorní místnosti. ) Jakmile budete znát hodnotu teploty Tmax, zjistěte aritmetický průměr naměřených při teplotách vyšších než je teplota Tmax, tj. průměrné hodnotu emisivity okolí teploty T max závislosti na teplotě mění jen pomalu. z emisivit pro T T max. Tuto je možno přibližně považovat za průměrnou hodnotu odpovídající a potažmo celému měřenému intervalu teplot, neboť emisivita se v

3 Pomůcky: Vzorek betonu se zabudovaným čidlem kontaktního teploměru Dotykový teploměr Bezdotykový teploměr Postup měření: 1) Bezdotykový teploměr má podobu pistole se spouští dole na rukojeti. Po stisknutí spouště se rozsvítí dvě laserové stopy, které je nutné zaměřit na dvě červeně vyznačené skvrny na vzorku betonu. Stačí přidržet nad vzorkem z malé vzdálenosti tak, aby se laserové stopy kryli s červenými stopami na vzorku, pak počkat asi 3 vteřiny na ustálení hodnot, uvolnit spoušť, oddálit teploměr a přečíst teplotu na displeji teploměru, který podrží hodnotu teploty ještě malou chvíli, než pohasne. Bezdotykový teploměr je uložen celou dobu mimo vzorek a měří se s ním jen v okamžiku uplynutí dalšího časového intervalu. Vyzkoušejte si celou proceduru měření bezdotykovým teploměrem na studeném vzorku. Až si nacvičíte rychlé zaměření barevných skvrn na vzorku a pohotové ovládání a čtení z teploměru, pak pokračujte k bodu ). Při manipulaci s bezdotykovým teploměrem je třeba opatrnosti, aby laserové stopy nedopadly do lidského oka - hrozí poškození zraku. ) Přeneste dřevěný deskový podnos s celým zařízením k vařiči. Zapněte kontaktní teploměr. Chladný vzorek betonu opatrně přesuňte na plotnu vařiče a pak vařič zapněte na maximum. Vzorek betonu zahřívejte tak dlouho, až kontaktní teploměr ukáže hodnotu 65 o C, pak okamžitě vařič vypněte, ihned uchopte horký vzorek pomocí termo-rukavice a přemístěte jej na dřevěný měřící podnos a vraťte se s ním na své místo v laboratoři. Zde vyčkejte, až se setrvačný vzrůst teploty vzorku zastaví. Jakmile teplota vzorku poklesne o 3 o C, zahajte měření - v předepsaných časových intervalech zapisujte do tabulky teploty zjištěné na obou teploměrech (viz tabulka 1 s příkladem měření). Publikované hodnoty emisivit některých materiálů s teplotou 7 o C. (Nebyl uveden stav povrchu ani metoda měření). Materiál Emisivita Ocel (leštěná) 0,10 Hliníková fólie 0,05 Hliník(eloxovaný) 0,15-0,69 Nerezová ocel (leštěná) 0,0 Nikl (oxidovaný) 0,37 Látka textilní 0,90 Dřevo 0,8-0,9 Papír 0,9-0,97 Beton 0,88-0,93 Cihla (červená) 0,

4 Příklad měření: Tab. 1 Naměřené hodnoty teplot v průběhu chladnutí vzorku betonu (pokojová teplota o C, vlhkost vzduchu 50% ). t/min t/s T / o C T ε=1 / o C T=T- T ε=1 / o C ε=[(73,15+ T ε=1 )/(73015+T)] ,9 68,1 5,8 0, ,7 6,8 6,9 0, , 6,1 7,3 0, ,5 6,5 0, ,8 58, 6,6 0, , 55,7 5,7 0, , 53,5 5,7 0, , 5 5, 0, ,3 50,1 5, 0, ,3 8,,9 0, ,6 7,, 0, ,9 5,7, 0, ,5,6 3,9 0, , 3,6 0, ,7 3,7 0, ,6 0, 3, 0, , 38,8,6 0, ,5 37,,3 0, , ,5 3,9 1,6 0, ,3 3 1,3 0, , 3,1 1,3 0, ,7 9, 0,5 0, ,8 7,8 0 1 Obr. 1 Závislost teplotního rozdílu na teplotě vzorku. T 0, 0003T 0,3598T 8, 6331 T 0 Tmin 8,6 o C

5 Obr. Závislost emisivity na teplotě vzorku. 5 3, T 0, 0076T 1, ,93 T max 63, o C 0,91... pro T Tmax Diskuse výsledů měření:... 5