Основные положения лучистого теплообмена.

ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН (радиационный теплообмен) - процесс переноса энергии, обусловленный превращением части внутр. энергии вещества в энергию излучения (испусканием эл--магн. волн, или фотонов), переносом излучения в пространстве со скоростью света и его поглощением веществом (обратным превращением энергии эл--магн. волн во внутр. энергию). При этом перенос излучения в материальной среде может сопровождаться поглощением и рассеянием,

а также собств. излучением среды. Однако для Л. т. наличие материальной среды между телами не является необходимым, что принципиально отличает Л. т. от др. видов теплообмена (теплопроводности, конвективного теплообмена).Передача теплоты излучением может происходить в разл.областях спектра(в зависимости от темп-ры).Все тела непрерывно посылают в окружающее их пространство электромагнитные волны различной частоты (длины). Большинство твердых и жидких тел излучают энергию всех длин волн в интервале от нуля до бесконечности, т.е. имеют сплошной спектр излучения. Газы испускают энергию только в определенных интервалах длин волн и имеют селективный спектр излучения. Твердые тела излучают и поглощают энергию поверхностью – поверхностное излучение, а газы объемом – объемное излучение. Излучение волн любой длины всегда превращается (трансформируется) в тепловую энергию. Длина волны электромагнитного излучения λ, мкм (микрометр – 10⁻⁶ м), находится в пределах: для ультрафиолетовых – 0,02…0,4; видимых (световых) – 0,4…0,8; тепловых (инфракрасных) – 0,8…800 мкм. Но для световых и инфракрасных (тепловых) лучей с длиной волны от 0,4 до 800 мкм это превращение выражено наиболее сильно, и эти лучи называют тепловыми, а процесс их распространения – тепловым излучением или радиацией.Тепловое излучение свойственно всякому телу,если его абсолютная температура отличнаот нуля. Инфракрасное (температурное) излучение определяется тепловым состоянием тела – его температурой. Интенсивность теплового излучения резко увеличивается с ростом температуры. В определенных условиях температура достигает порядка 600 °С и выше, и превалирующим видом теплообмена (по сравнению с конвекцией) является радиация. Свое преимущество она сохраняет и для низких температур при соответствующем расположении поверхностей, обменивающихся лучистой теплотой. При лучистом теплообмене все тела излучают энергию друг на друга. В результате баланса теплоты лучистая энергия всегда переносится от тел с более высокой температурой к телам с меньшей температурой. Наиболее интенсивна передача теплоты радиацией в условиях вакуума или разрежения. Интегральный или полный лучистый поток, излучаемый с единицы поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства, называется плотностью потока интегрального излучения, или излучательной способностью,Вт/м²:

, откуда

Если излучательная способность ^ Е одинакова для всех элементов поверхности F, то Q = EF. В этом случае излучательная способность тела Е численно равна количеству энергии (Дж), выделяемой с единицы поверхности (м²) в единицу времени (с): Дж/(м²⋅с) = Вт/м ². Каждое тело не только излучает, но и поглощает лучистую энергию. Если тепловой луч на своем пути встречает какое-нибудь тело с площадью поверхности F = 1, то из всего общего количества падающей на тело лучистой энергии – E_о (Q_о), часть ее отражается в окружающее пространство – Е_от (Q_от), некоторая доля энергии, проникающей в тело, поглощается – Е_пог (Q_пог) и трансформируется в тепловую энергию, а остальная часть проходит сквозь тело и через окружающее пространство – Е_пр (Q_пр), после чего попадает на другие тела. Таким образом, падающий на тело лучистый поток может быть разделен на три части: отраженную, поглощенную и

пропущенную. Следовательно: E_о = Е_от + Е_пог + Е_пр или Q_о = Q_от + Q_пог + Q_пр.

Для количественной оценки каждой части E (Q) вводят понятия:

• отношение отраженной энергии к энергии, падающей на поверхность тела, называют отражательной способностью

тела: R = Q_от / Q_о;

• отношение поглощенной энергии к падающей энергии называют поглощательной способностью тела: А = Q_пог / Q_о;

• отношение энергии, прошедшей сквозь тело, к падающей энергии называют пропускательной способностью

тела: D = Q_пр / Q_о.

В соответствии с законом сохранения энергии: R + А + D = 1.

Если R = 1, то А = D = 0. Это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью отражается телом. Когда отражение правильное и определяется законами геометрической оптики, тела называются зеркальными, а в случае диффузного отражения – абсолютно белыми.

Если А = 1, то R = D = 0. Это означает, что все падающее излучение поглощается телом и такие тела называются абсолютно черными.

Если D = 1, то А + R = 0. Это означает, что вся падающая энергия проходит сквозь тело и такие тела

называют прозрачными или диатермичными. К ним можно отнести не запыленный сухой воздух, одноатомные и двухатомные газы (азот, кислород, водород).

В природе «абсолютных» тел не существует, хотя имеются близкие. Например, моделью абсолютно черного тела может служить отверстие в стенке полого тела (шара), в котором энергия попадающего в него луча полностью поглощается стенками. Нефтяная сажа поглощает до 96 % падающей энергии, а шероховатый лед или иней – до 98 %. Почти все тепловые лучи отражает тщательно отполированная медь.

В природе подавляющее большинство твердых тел и жидкостей непрозрачно, для них пропускательная

способность ^ D = 0, а сумма поглощательной и отражательной способностей А + R = 1. Эти тела называют серыми или атермичными.Если серое тело хорошо поглощает лучистую энергию,то оно плохо отражает эту энергию,и наоборот.Наиболее интенсивно поглощают энергию твердые тела, слабее – жидкости. Для приближения твердых серых тел к черным их поверхность часто покрывают нефтяной сажей, лаком или краской. Однако поглощательная способность тел

в инфракрасном диапазоне излучения определяется не столько цветом, сколько качеством или состоянием (шероховатостью) поверхности.

Среда, сквозь которую проходит лучистая энергия, по-разному поглощает и, следовательно, пропускает излучение. Трехатомные газы (углекислый и сернистый газ, водяные пары) пропускают тепловые лучи только в узком диапазоне длин волн. Сухой воздух практически прозрачен для тепловых лучей, однако при наличии в нем влаги, пара (тумана) он становится средой, заметно поглощающей. Поглощение и рассеяние излучения имеют место в запыленных или сажистых газах.

Поглощательная и пропускательная способности тел и сред зависят от спектра излучения. Например, кварц прозрачен для световых и ультрафиолетовых лучей, но непрозрачен для тепловых лучей. Каменная соль прозрачна для тепловых лучей и непрозрачна для ультрафиолетовых лучей. Оконное стекло прозрачно только для световых лучей, а для инфракрасных и ультрафиолетовых оно почти не прозрачно.

Виды лучистых потоков.

Энергия излучается телом при данной температуре во всех направлениях в виде спектра. Суммарное количество энергии, излученной на всех длинах волн в единицу времени, называют полным или интегральным лучистым потоком Q. Монохроматическим или однородным (спектральным) лучистым потоком Q_λназывают излучение вузком интервале длин волн: от λ до λ + Δλ.

Интегральный лучистый поток, приходящийся на единицу поверхности, называют плотностью интегрального излучения Е = dQ/dF, Вт/м² . (3.3)

Уравнение (3.3) служит и для выражения лучеиспускательной способности поверхности или поверхностной плотности излучения, представляющей собой суммарное количество энергии (для всего спектра, т. е. для всех длин волн, начиная от λ=0 до λ=∞), излучаемое телом с единицы поверхности за единицу времени (т. е. плотность интегрального или собственного излучения с поверхности тела).

При одной и той же температуре излучаемая энергия распределяется различно при различных длинах волн и для того, чтобы это учесть, вводят понятие о спектральной интенсивности излучения, представляющей собой лучистый поток

в узком интервале длин волн и выражаемой уравнением

I = dE / dλ, Вт/м³. (3.4)

Пусть на тело извне падает излучение Е_пад ,Вт/м² (падающее излучение). Часть падающего излучения в количестве Е_погл= АЕ_пад поглощается (поглощенное излучение);остальная часть в количестве Е_отр= (1— А)Е_пад отражается (отраженное излучение). Суммарный поток из собственного излучения и отраженногоназывают эффективным излучением тела Е_эф = Е + (1-А) Е_пад. (3.5)

Условие это отображено графически на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Графическая иллюстрация соотношения величин Е, Е_пад, Е_погл, Е_отр, Е_эф Результирующее излучение учитывает наряду с собственным излучением и

излучение, поглощаемое телом из окружающей среды АЕ_пад . Для другого случая, когда Т>Т_окр,

Е_рез ⁼ Е- АЕ_пад = Е_эф - Е_пад = q_рез (3.6) или Е_эф = q_рез + Е_пад . (3.7)

Принимая во внимание, что Е_пад = (Е - q_рез ) / А, (3.8) имеем Е_эф = q_рез (1- 1/А) +

Е/А. (3.9) Эта зависимость широко используется для определения результирующих лучистых потоков.