Теплообмен излучением

Основные понятия и определения

Процесс теплового излучения широко распространены в различ­ных областях техники, в частности, в металлургии, сушильной тех­нике и т.д. Тепловое излучение или радиация занимает особое положение среди других видов теплообмена, так как физическая природа радиации принципиально отличается от передачи теплоты теплопровод­ности и конвекцией.

Лучистая энергия переносится электромагнитными волнами. Воз­никновение лучистой энергии происходит в результате сложных, внутримолекулярных возмущений. Лучистый теплообмен связан с двойным превращением энергии: на поверхности тела-излучателя тепло­та трансформируется в энергию электромагнитных колебаний, которая распространяется в лучепрозрачной среде (или в вакууме) и при по­глощении ее каким-либо другим телом вновь превращается в теплоту. Всякое тело, имеющее температуру, отличную от абсолютного нуля, способно излучать лучистую энергию, т.е. наряду с потоком лучистой энергии от более нагретых тел к менее нагретым всегда имеется и обратный поток от менее нагретых тел к более нагретым. Конечный результат такого обмена и представляет собой количество переданной излучением теплоты.

Большинство твердых и жидких тел имеют сплошной спектр излуче­ния, т.е. излучают энергию всех длин волн от 0 до ∞. Однако спо­собностью трансформироваться в теплоту обладают лишь волны свето­вого и инфракрасного диапазона с длиной волны от 0,4 до 40 мкм (световой диапазон 0,4-0,8 мкм, инфракрасный диапазон 0,8-800 мкм).

Излучение всех тел зависит от температуры. Зависимость интен­сивности и передачи теплоты от температуры при излучении значительно большая, чем при теплопроводности и конвекции. Поэтому при относительно низких температурах главную роль играет конвективный теплообмен, а при высоких - теплообмен излучением.

При расчетах излучения используются понятия: лучистый поток Q, Вт, излучательная способность тела или поверхностная плотность излучения Е, Вт/м², интенсивность излучения (или спектральная плотность излучения) I, Вт/м³.

Полным (интегральным) лучистым потоком Q, Вт, называется полное количество энергий, излучаемое поверхностью F в единицу времени во всем интервале длин волн спектра по всем направлениям полусферического пространства. Излучение, соответствующее узкому интервалу длин волн, называется монохроматическим.

Поверхностной плотностью излучения или излучательной способностьютела Е, Вт/м, называется количество энергии, излучаемое единицей поверхности тела в единицу времени:

Интенсивность излучения I, Вт/м³, представляет собой излучательную способность тела в интервале длин волн от λ до λ+dλ, отнесенную к величине этого интервала dλ, т.е

Пусть на какое-то тело падает интегральный лучистый поток (рис.17). В общем случае часть этого потока Q_a будет поглощаться телом, часть Q_R - отражаться и часть Q_D – проходить сквозь тело:

Q = Q_a+Q_R +Q_D

Разделив последнее выражение на Q и обозначив Q_a/Q=А, Q_R/Q=R, Q_D/Q=D, запишем A+D+R=1 (124)

где A - коэффициент поглоще­ния или поглощательная способ­ность тела;

R - коэффициент отражения;

D - коэффициент пропускания.

Эти коэффициенты могут для различных тел меняться от 0 до 1.

Рис. 17. Составляющие

лучистого потока.

Если A = I (R=D=0), тo вся падающая лучистая энергия по­глощается телом и оно называется абсолютно черным.

Если R = I (A=D=0), то тело отражает всю лучистую энер­гию. Если при этом отражение происходит по законам геометрической оптики, то такое тело называют зеркальным, если же отражение рас­сеянное (диффузное) - абсолютно белым.

Если D=I (А=R=0), т.е. тело пропускает всю лучистую энергию, оно называется абсолютно прозрачным или диатермичным.

Большинство твердых и жидких тел для тепловых лучей практически непрозрачны (атермичны), т.е. них D=0 и уравнение (123) принимает вид:

A+R=1 (125)

Как известно из оптики, излучательная и поглощательная способность тела в световой части спектра определяется главным обра­зом цветом его поверхности. Для поглощения и отражения тепловых (инфракрасных) лучей основное значение имеет не цвет, а шерохова­тость поверхности. Чем больше шероховатость, тем больше энергии тело поглощает и излучает в инфракрасной части спектра. Поэтому, если необходимо какое-либо тело защитить от воздействия излучения, его поверхность выполняют не только белой, но и предельно гладкой.