Расчет теплообмена излучением.

Теплообмен излучением (или радиацией) мо­жет происходить между телами, находящимися на больших расстояниях друг от друга. Характерной особенностью его является отсутствие непосредственного соприкосновения тел, участвующих в теплообмене, а также отсутствие теплоносителя в виде газа или жидкости.

Тепловое излучение — результат внутриатомных процессов, обуслов­ленных влиянием температуры, почему излучение и называется также температурным. При нагреве тела тепловая энергия переходит в лучи­стую энергию.

Лучеиспускание тела в пространство может быть равномерным или направленным. Лучистая энергия, падающая на тело в зависимости от его природных свойств, формы и состояния поверхности, в общем случае частью поглощается телом и переходит в тепловую энергию (а иногда в другие формы энергии), частью проходит сквозь него и частью отра­жается в окружающее пространство.

Согласно электромагнитной теории света, носителями лучистой энергии являются электромагнитные волны, излучаемые телами. Эти волны в изотропной среде или вакууме распространяются прямолинейно со скоростью света, подчиняясь оптическим законам преломления, погло­щения и отражения.

Данные о длинах волн не­которых видов излучения приведены ниже:

- ультрафиолетовые лучи: 0,02—0,4 мкм;

- видимые (световые) лучи: 0,4—0,76 мкм;

- инфракрасные (тепловые) лучи: 0,76—400 мкм;

- радио- и электрические волны: 400 мкм и выше.

Суммарное излучение с поверхности тела по всем длинам волн спектра называется интегральным или полным потоком излучения: .

В общем случае плотность потока излучения может иметь неравномерное распределение по поверхности тела. Если плотность потока интегрального излучения для всех элементов поверхности тела одинакова, то справедливо соотношение: .

Отношение плотности лучистого потока, испускаемого в бесконечно малом интервале длин волн, к величине этого интервала длин волн, называется спектральной плотностью потока излучения: .

Излучение, которое определяется природой данного тела и его температурой, называется собственным излучением.

Разные тела по-разному поглощают, отражают или пропускают лу­чистый поток.

На (рис.1) показано распределение энергии при падении излуче­ния на поверхность реального жидкого или твердого тела. Некоторая часть лучистого потока, равная Q_R, отражается. Другая часть потока Q_A поглощается телом и, наконец, остаток Q_D проходит сквозь тело.

Общий поток лучистой энергии складывается следующим образом:

или ;

где - доля отражаемого телом лучистого потока, называе­мая отражательной способностью тела;

- доля поглощаемого телом лучистого потока - поглощательная способность тела;

- доля пропускаемого телом через себя лучистого пото­ка – пропускательная способность.

Значение этих коэффициентов зависит от природы тела, состояния его поверхности, температуры тела и спектрального характера или вида излучения.

Тело, полностью отражающее все падаю­щие на него лучи, называется белым; для него R = 1 и A = 0 = D. Если поверхность тела отражает все падающие лучи и при том равномерно во всех направлениях, ее называ­ют абсолютно белой.

Тело, полностью поглощающее лучистую энергию, называют абсолютно черным; для не­го А = 1 и

R = 0 = D. Абсолютно черных и белых тел в природе не существует.

Тело, пропускающее через себя полностью все лучи без отражения, и поглощения, назы­вают абсолютно прозрачным; для него D = l и А = 0 = R.

Тела, которые поглощают не всю падающую на них энергию, часть которой при этом отражается или пропускается через массу этого тела, называются серыми телами. Для этих тел: А_λ = const ≤ 1.

Суммарная плотность потоков собственного и отраженного излучения, испускаемых поверхностью данного тела, называется плотностью эффективного излучения: ,

Е – собственное излучение;

Е_отр – поток отраженного излучения;

Е_пад – поток падающего излучения;

R – коэффициент отражения.

Для тела, участвующего в лучистом теплообмене с др.телами, согласно закону сохранения энергии, можно составить уравнение теплового баланса:

Е_пад = Е_погл + Е_отр + Е_проп;

Е_погл – плотность потока поглощаемой лучистой энергии; Е_проп – плотность потока пропускаемого излучения.

Теплообмен излучением между двумя телами.

1. Теплообмен излучением между 2мя параллельными серыми плоскостями.(рис.2)

Лучистый теплообмен между серыми поверхностями усложняется тем, что часть лучистой энергии многократно отражается от одной поверхности к другой, пока не будет поглощена полностью. Эффективная излучательная способность будет складываться из собственной излучательной способности и (1-А) эффективной излучательной способности 2-го тела. В этом случае можно показать, что количество тепла, переданного от тела 1 к телу 2, может быть определено по формуле:

, где

ε_пр – приведенная степень черноты; .

2. Теплообмен между 2-мя поверхностями, из которых одна заключена в другой. (рис.3)

В этом случае приведенная степень черноты:

Для защиты от излучения, т.е. для уменьшения лучистой теплоотдачи, применяют экраны. На рис. 3.Экран вставлен между 2мя параллельными плоскостями. (рис.4) Допуская, что степени черноты одинаковы для обеих плоскостей, излучательная способность уменьшается в 2 раза, т.е. при наличии экрана тепла передается вдвое меньше.

При наличии n экранов тепловой поток уменьшается в (n+1) раз. Для увеличения эффективности действия экрана следует применять экраны с малым значением степени черноты из алюминиевых гладких листов, фольги и других материалов.