Способы теплопередачи (теплообмена). Теплопередача излучение

1.7. Теплообмен излучением

Контрольные вопросы:

1.Что называется теплоотдачей?

2.Перечислите факторы, влияющие на величину коэффициента теплоотдачи

3.Раскройте физический смысл критерия Пекле.

4.Раскройте физический смысл критерия Галилея.

5.Раскройте физический смысл критерия Прандтля.

6.Поясните смысл понятий: определяющий размер, определяющая температура.

7.В чем отличие вязкостного течения теплоносителя от вязкостногравитационого?

1.7.1.Основные понятия и определения

Теплообмен, обусловленный превращением внутренней энергии тела в энергию электромагнитных волн, переносом этой энергии и поглощением ее другими телами, называется теплообменом и излучением.

Согласно волновой теории, излучение можно представить волновыми колебаниями, с частотой ν и длиной волныλ . Произведение частоты и длины

волны есть скорость распространения, равная скорости света:

C ≈ λ ν ≈3 108м/с (1.88)

Согласно корпускулярной теории, энергия излучения передается в виде порций энергий-фотонов.Каждый фотон движется со скоростью света и имеет определенную энергию, заданную соотношением:

где h – постоянная Планка, h ≈ 6,63 10−34 Джּс.

Тепловое излучение сосредоточено между длинами волн от 10-3 до 0,7ּ10-

6м.

Большинство твердых и жидких тел имеет сплошной (непрерывный) спектр излучения, т. е. излучает энергию всех длин от 0 до ∞.

Газы и пары характеризуются селективным (прерывистым) спектром излучения.

Количество лучистой энергии, испускаемой с единицы площади поверхности тела в единицу времени, называются поверхностной плотностью излучения:

и измеряется в Вт/м2. Лучистый поток с площади поверхности F определяются выражением:

В общем случае плотность потока излучения может неравномерно распределяться по поверхности тела. Она может изменяться по определенным направлениям излучения, поэтому вводится понятие интенсивности излучения.

Интенсивностью излучения называется количество лучистой энергии, излучаемой в определенном направлении элементарной площадкой, расположенной перпендикулярно направлению излучения, в единице телесного угла за единицу времени.

Выделим на поверхности излучаемого тела элементарную площадку dF и

нормалью n к площадке в элементарном телесном угле dω (рис.1.11).

рис. 1.11

Энергия этого излучения равна d'Q. Проекция площадкиdF на плоскости, перпендикулярной направлению излучения, равнаdFcosφ.

По определению интенсивность излучения может быть представлена в виде:

Интенсивность излучения для определенной точки на поверхности тела может быть неодинаковой по различным направлениям. Если JS по всем

направлениям будет одинаковой и излучение исходит из поверхности твердого тела, то оно называется диффузионным. Интенсивность излучения зависит от природы тела, его температуры, длины волны, состояния поверхности, а для газов – еще от толщины слоя и давления.

Понятия – плотность лучистого потока Е и интенсивность излученияJS – относятся к интегральному (полному) излучению.

Излучения, протекающие в узком интервале длин волн (монохроматичекое излучение) от λ доλ + dλ , обозначаются:Eλ иJSλ .

Если на пути теплового излучения Епад встречается тело (среда, обладающая плотностью), то, тепловая энергия частично отражаетсяЕотр и частично проходит сквозь телоЕпр (рис. 1.12).

Рис. 1.12

На основании принципа сохранения энергии можно записать:

где R иD – коэффициенты отраждения и пропускания соответственно. КоэффициентыА,R иD связаны между собой равенством:

А+R+D=1.

Коэффициенты А,R иD определяются опытным путем. ЕслиR=D=0, тоА =1, то тело поглощает все падающие на него излучения (абсолютно черное тело). ЕслиD=А, тоR=1, то поверхность тела отражает все падающие на него излучения (абсолютно белое тело).

Если R=А, тоD=1, то тело пропускает все падающие на него лучи (абсолютно прозрачное тело).

Помимо собственного излучения Е, определяемого свойствами самого тела, участвующее в лучистом теплообмене тело отдает часть падающей на него энергии:

Сумма энергий собственного и отраженного излучения составляет эффективное излучение тела:

Е эф=Е+ R Eпад.=Е+(1-А)Eпад (1.97)

Эффективное излучение зависит от физических свойств и температуры данного тела физических свойств и температуры окружающей среды тело, а также от формы, размеров и относительного расположения тел в пространстве.

Разность между собственным и поглощенным излучением называется результирующим излучением:

1.7.2. Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрачной средой

При анализе лучистого теплообмена между телами принимаются определенные допущения. Собственное и относительное излучение всех тел, между которыми происходит лучистый теплообмен, подчиняются закону

где Jφ иJn – интенсивность интегрального излучения в направлении, определяемом угол φ и направлении нормали к поверхности.

Рассмотрим теплообмен между неограниченными плоско параллельными плоскостями. Обе плоскости (с индексом 1и 2) излучают в пространство энергию, которая частично поглощается и отражается самими плоскостями, причем эти процессы многократно повторяются. Принимаем, что Т1>Т2. Тогда для эффективного потока излучения от первого тела ко второму запишем:

где εпр - приведенная степень черноты системы, определяемая формулой:

большой степенью черноты (ε1 иε2 не менее 0,8)εпр приближенно может быть принята равнойε1 ,ε2 .

1.7.3. Особенности излучения газов и паров. Сложный теплообмен

Одноатомные и двухатомные газы не обладают заметной излучательной способностью и являются практически прозрачными для излучения. Трехатомные газы (Н2О, СО2 и др.) обладают значительной излучательной и поглощательной способностью, которая носит резко выраженный селективный характер.

В отличие от твердых и жидких тел излучение газов носит объемный характер.

Количество поглощаемой газом энергии зависит от толщины газового слоя и концентрации поглощающих (излучающих) молекул.

Концентрация обычно оценивается парциальным давлением газа р. Толщина газового слоя и парциальное давление газа в одинаковой мере влияют на число молекул, поэтому степень черноты газа и его поглощательную

где V – газовый объем;

F – площадь поверхности оболочки.

Достаточно полно изучен теплообмен излучением для Н2О и СО2, которые содержаться в продуктах сгорания топлив. Плотность их собственного интегрального излучения по экспериментальным данным определяется из выражений:

Из уравнений (1.109) и (1.110) видно, что парциальное давление р и толщина слоя l оказывают большее влияние на излучение Н2О, чем на излучение СО2. Поэтому при малых толщинах слояl преобладает излучение СО2, а при больших – излучение Н2О.

Выражения (1.109) и (1.110) показывают, что излучение газов не подчиняется закону Стефана-Больцмана,который устанавливает зависимость

плотности интегрального полусферического излучения от температуры абсолютно черного тела.

Плотность теплового потока, передаваемого газом, содержащим СО2 и Н2О

где εэф - эффективная степень черноты стенки;

Аг – поглощательная способность газа при температуре стенки;Тс – температура стенки;ТГ – температура газов.

Степень черноты газов при температуре ТЖ определяется из графика (рис. 1.13).

Рис.1.13

Значение степени черноты εсо2 иεН2О в зависимости от температуры и

параметра рl принимаются из справочника.

Сложным теплообменом называют процесс переноса теплоты, при котором теплообмен излучением протекает совместно с теплопроводностью и конвекцией. В сложном теплообмене излучение является важной составной частью.

Сложный теплообмен можно разделить на три разновидности:

1.Теплообмен излучением между потоком излучающего газа и стенками канала.

2.Радиоционно-кондуктивныйтеплообмен.

3.Радиоционно-конвективныйтеплообмен.

При теплообмене излучением между потоком излучающего газа и стенками канала обычно пренебрегают теплопроводностью и считают, что теплота переносится только конвекцией в направлении движения потока.

Здесь учитывается неравномерное распределение температуры газа по сечению канала и его длине, возникающее из-затеплообмена. Оказывается, что теплота, переданная излучением, не растет монотонно с ростом степени

черного газового объема, а имеет максимальное значение при некотором ее значении. Уменьшение количества передаваемой теплоты при большой поглотительной способности среды объясняется тем, что охладившиеся пристенные слои малопрозрачного газа выполняют роль экрана, не пропуская на стенку излучение от удаленных слоев излучающего газа.

При радиоцинно-кондуктивномтеплообмене происходит процесс переноса теплоты в неподвижной ослабляющей и теплопроводящей среде путем излучения и теплопроводности. В случае нерассеивающей среды этот вид теплообмена характеризуется оптической толщиной слоя средыk l, степенью черноты тепловоспринимающих поверхностейεСГ1 ;εСГ2 , относительной

температурой поверхности, имеющей низкую температуру θ =Т2 /T1 и

параметром, характеризующим взаимную интенсивность переноса теплоты теплопроводностью и излучением:

где Ki –критерийКирпичева.

Если N → ∞, то теплота переносится только теплопроводностью,N →0 – только излучением.

Радиационно-кондуктивныйтеплообменявляется весьма сложным видом теплообмена. Сравнительно простые решения задчи получаются лишь для некоторых частных случаев.

При оптически тонком слое (k l=0) излучение не поглощается в среде, а переносится от одной поверхности к другой, как в случае прозрачной (диатермичной) среды. Полный тепловой поток определяется простым суммированием лучистого и кондуктивного потоков:

q = (εCT1εCT 2)/(εCT1+εCT 2−εCT1εCT 2) σ0(T14 −T24) + (λ /δ )(T1−T2) (1.113)

При оптически толстом слое (k l → ∞) влияние радиационных свойств поверхностей простирается в глубь объема, а характеристики излучения в любой точке объема зависят лишь от условий в непосредственной близости от этой точки. В этом случае полный тепловой поток складывается иначе, чем в уравнении (1.113), радиационный поток несколько видоизменяется:

Радиационно-конвективныйтеплообменвесьма сложен в физическом отношении и описывается довольно сложной системой уравнений. Эти оба обстоятельства затрудняют как аналитические, так и экспериментальные исследования сложного теплообмена, в связи с тем, что задача его инженерного расчета еще далека от своего решения. В практических расчетах обычно используются независимо конвективный и лучистый потоки, что оказывается достаточно верным, если один из них значительно меньше другого.

Для учета теплоотдачи излучением к коэффициенту теплоотдачи конвекцией, подсчитанному обычным образом, т.е. без учета радиационного теплообмена на профили скорости и температуры, рекомендуется прибавлять

studfiles.net

Лучистый теплообмен: понятие, расчет

Здесь читатель найдет общую информацию о том, что такое теплообмен, а также будет рассмотрено детально явление лучистого теплообмена, подчинение его определенным законам, особенности протекания процесса, формула тепла, использование человеком теплообмена и его протекание в природе.

Вступление в теплообмен

Чтобы понять суть лучистого теплообмена, необходимо для начала понимать его суть и знать, что это такое?

Теплообмен – это изменение показателя энергии внутреннего типа без протекания работы над объектом или субъектом, а также без совершения работы телом. Такой процесс всегда протекает в конкретном направлении, а именно: тепло переходит от тела с большим показателем температуры, к телу с меньшим. По достижению выравнивания температур между телами процесс прекращается, а осуществляется он при помощи теплопроводности, конвекции и излучения.

1. Теплопроводность – это процесс передачи энергии внутреннего типа от одного фрагмента тела к другому или между телами при совершении ими контакта.
2. Конвекция – это теплопередача, осуществляемая в результате переноса энергии вместе с жидкостными или газовыми потоками.
3. Излучение носит электромагнитный характер, испускается благодаря внутренней энергии вещества, которое находится в состоянии определенной температуры.

Формула тепла позволяет делать расчеты по определению количества переданной энергии, однако измеряемые величины зависят от природы протекающего процесса:

1. Q = cmΔt = cm(t2 – t1) – нагревание и охлаждение;
2. Q = mλ – кристаллизация и плавление;
3. Q = mr – паровая конденсация, кипение и испарение;
4. Q = mq – сгорание топлива.

Взаимосвязь тела и температуры

Чтобы понимать, что же такое лучистый теплообмен, необходимо знать основы законов физики об инфракрасном излучении. Важно помнить, что любое тело, температура которого выше нуля в абсолютной отметке, всегда излучает энергию теплового характера. Она лежит в диапазоне инфракрасного спектра волн электромагнитной природы.

Однако разнообразные тела, имея одинаковый показатель температуры, будут обладать разной способностью испускать лучистую энергию. Эта характеристика будет зависеть от различных факторов, таких как: строение тела, природа, форма и поверхностное состояние. Природа электромагнитного излучения относится к двойственной, корпускулярно-волновой. Поле электромагнитного типа имеет квантовый характера, а его кванты представлены фотонами. Взаимодействуя с атомами, фотоны поглощаются и передают свой запас энергии электронам, фотон исчезает. Энергия показателя теплового колебания атома в молекуле возрастает. Другими словами, излучаемая энергия превращается в теплоту.

Излучаемая энергия считается главной величиной и обозначается знаком W, измеряется джоулями (Дж). В потоке излучения выражается среднее значение мощности за промежуток времени, гораздо превышающий периоды колебаний (энергия излучаемая в течении единицы времени). Излучаемая потоком единица выражается в джоулях, деленных на секунду (Дж/с), общепринятым вариантов считается ватт (Вт).

Ознакомление с лучистым теплообменом

Теперь подробнее о явлении. Лучистый теплообмен – это обмен тепла, процесс передачи его от одного тела к другому, имеющему иной показатель температуры. Происходит при помощи инфракрасного излучения. Оно является электромагнитным и лежит в областях спектров волн электромагнитной природы. Диапазон волны лежит в пределах от 0.77 до 340 мкм. Диапазоны от 340 до 100 мкм считаются длинноволновыми, к средневолновому диапазону относятся 100 - 15 мкм, а от 15 до 0.77 мкм относятся к коротковолновым.

Коротковолновой участок инфракрасного спектра прилегает к свету видимого типа, а длинноволновые участки волн уходят в области ультракороткой радиоволны. Инфракрасному излучению свойственно прямолинейное распространение, оно способно преломляться, отражаться и поляризоваться. Способно проникать через некоторый перечень материалов, которые являются непрозрачными для видимого излучения.

Другими словами, лучистый теплообмен можно охарактеризовать как перенос тепла в форме энергии электромагнитной волны, процесс при этом протекает между поверхностями, находящимися в процессе взаимного излучения.

Показатель интенсивности определяется взаимным расположением поверхностей, излучательными и поглощательными способностями тел. Лучистый теплообмен между телами отличается от конвекционного и теплопроводного процессов тем, что тепло способно пересылаться сквозь вакуум. Схожесть этого явления с другими обусловлена передачей тепла между телами с различным температурным показателем.

Поток излучения

Лучистый теплообмен между телами имеет некоторое количество потоков излучения:

1. Поток излучения собственного типа – Е, который зависит от показателя температур T и оптических характеристик тела.
2. Потоки падающего излучения.
3. Поглощенные, отраженные и пропускаемые типы потоков излучения. В сумме они равняются Епад.

Среда, в которой происходит теплообмен, может заниматься поглощением излучения и привносить собственное.

Лучистый теплообмен между некоторым количеством тел описывается потоком излучения эффективного характера:

EЕФ=E+EОТР=E+(1-A)EПАД. Тела, в условиях любой температуры имеющие показатели Л=1, R=0 и О=0, называют «абсолютно черными». Человек создал понятие «черного излучения». Оно соответствует своими температурными показателями равновесию тела. Испускаемая энергия излучения вычисляется при помощи температурой субъекта или объекта, природа тела на это не влияет.

Следуя законам Больцмана

Людвиг Больцман, живший на территории Австрийской империи в 1844-1906 годах, создал закон Стефана-Больцмана. Именно он позволил человеку лучше понять суть обмена тепла и оперировать информацией, усовершенствуя ее на протяжении многих лет. Рассмотрим его формулировку.

Закон Стефана-Больцмана – это закон интегрального характера, описывающий некоторые особенности абсолютно черных тел. Он позволяет определять зависимости плотности мощности излучения абсолютно черного тела от его температурного показателя.

Подчинение закону

Законы лучистого теплообмена подчиняются закону Стефана-Больцмана. Уровень интенсивности передачи тепла через теплопроводность и конвекцию пропорционален температуре. Лучистая энергия в тепловом потоке пропорциональная показателю температуры в четвертой степени. Выглядит это так:

q = σ A (T14 – T24).

В формуле q – это поток тепла, A – поверхностная площадь тела, излучающего энергию, T1 и T2 – величина температур излучающих тел и окружения, которое занимается поглощением этого излучения.

Вышеуказанный закон излучения тепла в точности описывает лишь идеальное излучение, создаваемое абсолютно черным телом (а. ч. т.). Таких тел в жизни практически нет. Однако плоские поверхности черного цвета приближаются к а.ч.т. Излучение светлых тел относительно слабое.

Существует коэффициент излучательной способности, введенный для учета отклонения от идеальности многочисленного количества с.т. в правую составную выражения, разъясняющего закон Стефана-Больцмана. Показатель излучательной способности равен значению, меньшему единицы. Плоская черная поверхность может доводить этот коэффициент до 0.98, а металлическое зеркало не превысит и 0.05. Следовательно, лучепоглощающие способности высоки для черных тел и низки для зеркальных.

О сером теле (с.т.)

В теплообмене часто встречается упоминание такого термина, как серое тело. Этот объект представляет собой тело, которое имеет коэффициент спектрального типа поглощения электромагнитного излучения меньше одного, который не опирается на волновую длину (частоту).

Излучение тепла является одинаковым в соответствии со спектральным составом излучения черного тела с той же температурой. Отличается серое тело от черного меньшим показателем энергетической совместимости. На спектральный уровень черноты с.т. длина волны не влияет. В видимом свете к серому телу близка сажа, каменный уголь и платиновый порошок (чернь).

Области применения знаний о теплообмене

Излучение тепла происходит постоянно вокруг нас. В жилых и офисных помещениях часто можно встретить электрические обогреватели, которые занимаются теплоизлучением, и мы его видим в форме красноватого свечения спирали – такое тепло относится к видимому, оно «стоит» у границы инфракрасного спектра.

Обогревом помещения, на самом деле, занимается невидимая составная инфракрасного излучения. Прибор ночного видения применяет источник излучения тепла и приемники, чувствительные к излучению инфракрасной природы, которые и позволяют хорошо ориентироваться в темноте.

Энергия Солнца

Солнце по праву является мощнейшим излучателем энергии, носящей тепловой характер. Оно обогревает нашу планету с расстояния в сто пятьдесят миллионов километров. Показатель интенсивности солнечного излучения, который был зарегистрирован в течение многих лет и различными станциями, находящимися в разнообразных уголках земли, соответствует приблизительно 1.37 Вт/м2.

Именно энергия солнца является источником жизни на планете Земля. В настоящее время множество умов занимаются попытками найти наиболее эффективный способ ее использования. Сейчас нам известны солнечные батареи, способные обогревать жилые постройки и получать энергию для нужд повседневности.

В заключение

Подводя итоги, теперь читатель может дать определение лучистому теплообмену. Описывать это явление в жизни и природе. Лучистая энергия является основной характеристикой волны передаваемой энергии в таком явлении, а перечисленные формулы показывают способы ее расчета. В общем положении сам процесс подчиняется закону Стефана-Больцмана и может иметь три формы, зависящие от его природы: поток падающего излучения, излучения собственного типа и отраженное, поглощенное и пропускаемое.

fb.ru

1.7. Теплообмен излучением

Контрольные вопросы:

1.Что называется теплоотдачей?

2.Перечислите факторы, влияющие на величину коэффициента теплоотдачи

3.Раскройте физический смысл критерия Пекле.

4.Раскройте физический смысл критерия Галилея.

5.Раскройте физический смысл критерия Прандтля.

6.Поясните смысл понятий: определяющий размер, определяющая температура.

7.В чем отличие вязкостного течения теплоносителя от вязкостногравитационого?

1.7.1.Основные понятия и определения

Теплообмен, обусловленный превращением внутренней энергии тела в энергию электромагнитных волн, переносом этой энергии и поглощением ее другими телами, называется теплообменом и излучением.

Согласно волновой теории, излучение можно представить волновыми колебаниями, с частотой ν и длиной волныλ . Произведение частоты и длины

волны есть скорость распространения, равная скорости света:

C ≈ λ ν ≈3 108м/с (1.88)

Согласно корпускулярной теории, энергия излучения передается в виде порций энергий-фотонов.Каждый фотон движется со скоростью света и имеет определенную энергию, заданную соотношением:

где h – постоянная Планка, h ≈ 6,63 10−34 Джּс.

Тепловое излучение сосредоточено между длинами волн от 10-3 до 0,7ּ10-

6м.

Большинство твердых и жидких тел имеет сплошной (непрерывный) спектр излучения, т. е. излучает энергию всех длин от 0 до ∞.

Газы и пары характеризуются селективным (прерывистым) спектром излучения.

Количество лучистой энергии, испускаемой с единицы площади поверхности тела в единицу времени, называются поверхностной плотностью излучения:

и измеряется в Вт/м2. Лучистый поток с площади поверхности F определяются выражением:

В общем случае плотность потока излучения может неравномерно распределяться по поверхности тела. Она может изменяться по определенным направлениям излучения, поэтому вводится понятие интенсивности излучения.

Интенсивностью излучения называется количество лучистой энергии, излучаемой в определенном направлении элементарной площадкой, расположенной перпендикулярно направлению излучения, в единице телесного угла за единицу времени.

Выделим на поверхности излучаемого тела элементарную площадку dF и

нормалью n к площадке в элементарном телесном угле dω (рис.1.11).

рис. 1.11

Энергия этого излучения равна d'Q. Проекция площадкиdF на плоскости, перпендикулярной направлению излучения, равнаdFcosφ.

По определению интенсивность излучения может быть представлена в виде:

Интенсивность излучения для определенной точки на поверхности тела может быть неодинаковой по различным направлениям. Если JS по всем

направлениям будет одинаковой и излучение исходит из поверхности твердого тела, то оно называется диффузионным. Интенсивность излучения зависит от природы тела, его температуры, длины волны, состояния поверхности, а для газов – еще от толщины слоя и давления.

Понятия – плотность лучистого потока Е и интенсивность излученияJS – относятся к интегральному (полному) излучению.

Излучения, протекающие в узком интервале длин волн (монохроматичекое излучение) от λ доλ + dλ , обозначаются:Eλ иJSλ .

Если на пути теплового излучения Епад встречается тело (среда, обладающая плотностью), то, тепловая энергия частично отражаетсяЕотр и частично проходит сквозь телоЕпр (рис. 1.12).

Рис. 1.12

На основании принципа сохранения энергии можно записать:

где R иD – коэффициенты отраждения и пропускания соответственно. КоэффициентыА,R иD связаны между собой равенством:

А+R+D=1.

Коэффициенты А,R иD определяются опытным путем. ЕслиR=D=0, тоА =1, то тело поглощает все падающие на него излучения (абсолютно черное тело). ЕслиD=А, тоR=1, то поверхность тела отражает все падающие на него излучения (абсолютно белое тело).

Если R=А, тоD=1, то тело пропускает все падающие на него лучи (абсолютно прозрачное тело).

Помимо собственного излучения Е, определяемого свойствами самого тела, участвующее в лучистом теплообмене тело отдает часть падающей на него энергии:

Сумма энергий собственного и отраженного излучения составляет эффективное излучение тела:

Е эф=Е+ R Eпад.=Е+(1-А)Eпад (1.97)

Эффективное излучение зависит от физических свойств и температуры данного тела физических свойств и температуры окружающей среды тело, а также от формы, размеров и относительного расположения тел в пространстве.

Разность между собственным и поглощенным излучением называется результирующим излучением:

1.7.2. Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрачной средой

При анализе лучистого теплообмена между телами принимаются определенные допущения. Собственное и относительное излучение всех тел, между которыми происходит лучистый теплообмен, подчиняются закону

где Jφ иJn – интенсивность интегрального излучения в направлении, определяемом угол φ и направлении нормали к поверхности.

Рассмотрим теплообмен между неограниченными плоско параллельными плоскостями. Обе плоскости (с индексом 1и 2) излучают в пространство энергию, которая частично поглощается и отражается самими плоскостями, причем эти процессы многократно повторяются. Принимаем, что Т1>Т2. Тогда для эффективного потока излучения от первого тела ко второму запишем:

где εпр - приведенная степень черноты системы, определяемая формулой:

большой степенью черноты (ε1 иε2 не менее 0,8)εпр приближенно может быть принята равнойε1 ,ε2 .

1.7.3. Особенности излучения газов и паров. Сложный теплообмен

Одноатомные и двухатомные газы не обладают заметной излучательной способностью и являются практически прозрачными для излучения. Трехатомные газы (Н2О, СО2 и др.) обладают значительной излучательной и поглощательной способностью, которая носит резко выраженный селективный характер.

В отличие от твердых и жидких тел излучение газов носит объемный характер.

Количество поглощаемой газом энергии зависит от толщины газового слоя и концентрации поглощающих (излучающих) молекул.

Концентрация обычно оценивается парциальным давлением газа р. Толщина газового слоя и парциальное давление газа в одинаковой мере влияют на число молекул, поэтому степень черноты газа и его поглощательную

где V – газовый объем;

F – площадь поверхности оболочки.

Достаточно полно изучен теплообмен излучением для Н2О и СО2, которые содержаться в продуктах сгорания топлив. Плотность их собственного интегрального излучения по экспериментальным данным определяется из выражений:

Из уравнений (1.109) и (1.110) видно, что парциальное давление р и толщина слоя l оказывают большее влияние на излучение Н2О, чем на излучение СО2. Поэтому при малых толщинах слояl преобладает излучение СО2, а при больших – излучение Н2О.

Выражения (1.109) и (1.110) показывают, что излучение газов не подчиняется закону Стефана-Больцмана,который устанавливает зависимость

плотности интегрального полусферического излучения от температуры абсолютно черного тела.

Плотность теплового потока, передаваемого газом, содержащим СО2 и Н2О

где εэф - эффективная степень черноты стенки;

Аг – поглощательная способность газа при температуре стенки;Тс – температура стенки;ТГ – температура газов.

Степень черноты газов при температуре ТЖ определяется из графика (рис. 1.13).

Рис.1.13

Значение степени черноты εсо2 иεН2О в зависимости от температуры и

параметра рl принимаются из справочника.

Сложным теплообменом называют процесс переноса теплоты, при котором теплообмен излучением протекает совместно с теплопроводностью и конвекцией. В сложном теплообмене излучение является важной составной частью.

Сложный теплообмен можно разделить на три разновидности:

1.Теплообмен излучением между потоком излучающего газа и стенками канала.

2.Радиоционно-кондуктивныйтеплообмен.

3.Радиоционно-конвективныйтеплообмен.

При теплообмене излучением между потоком излучающего газа и стенками канала обычно пренебрегают теплопроводностью и считают, что теплота переносится только конвекцией в направлении движения потока.

Здесь учитывается неравномерное распределение температуры газа по сечению канала и его длине, возникающее из-затеплообмена. Оказывается, что теплота, переданная излучением, не растет монотонно с ростом степени

черного газового объема, а имеет максимальное значение при некотором ее значении. Уменьшение количества передаваемой теплоты при большой поглотительной способности среды объясняется тем, что охладившиеся пристенные слои малопрозрачного газа выполняют роль экрана, не пропуская на стенку излучение от удаленных слоев излучающего газа.

При радиоцинно-кондуктивномтеплообмене происходит процесс переноса теплоты в неподвижной ослабляющей и теплопроводящей среде путем излучения и теплопроводности. В случае нерассеивающей среды этот вид теплообмена характеризуется оптической толщиной слоя средыk l, степенью черноты тепловоспринимающих поверхностейεСГ1 ;εСГ2 , относительной

температурой поверхности, имеющей низкую температуру θ =Т2 /T1 и

параметром, характеризующим взаимную интенсивность переноса теплоты теплопроводностью и излучением:

где Ki –критерийКирпичева.

Если N → ∞, то теплота переносится только теплопроводностью,N →0 – только излучением.

Радиационно-кондуктивныйтеплообменявляется весьма сложным видом теплообмена. Сравнительно простые решения задчи получаются лишь для некоторых частных случаев.

При оптически тонком слое (k l=0) излучение не поглощается в среде, а переносится от одной поверхности к другой, как в случае прозрачной (диатермичной) среды. Полный тепловой поток определяется простым суммированием лучистого и кондуктивного потоков:

q = (εCT1εCT 2)/(εCT1+εCT 2−εCT1εCT 2) σ0(T14 −T24) + (λ /δ )(T1−T2) (1.113)

При оптически толстом слое (k l → ∞) влияние радиационных свойств поверхностей простирается в глубь объема, а характеристики излучения в любой точке объема зависят лишь от условий в непосредственной близости от этой точки. В этом случае полный тепловой поток складывается иначе, чем в уравнении (1.113), радиационный поток несколько видоизменяется:

Радиационно-конвективныйтеплообменвесьма сложен в физическом отношении и описывается довольно сложной системой уравнений. Эти оба обстоятельства затрудняют как аналитические, так и экспериментальные исследования сложного теплообмена, в связи с тем, что задача его инженерного расчета еще далека от своего решения. В практических расчетах обычно используются независимо конвективный и лучистый потоки, что оказывается достаточно верным, если один из них значительно меньше другого.

Для учета теплоотдачи излучением к коэффициенту теплоотдачи конвекцией, подсчитанному обычным образом, т.е. без учета радиационного теплообмена на профили скорости и температуры, рекомендуется прибавлять

studfiles.net

1.7. Теплообмен излучением

Контрольные вопросы:

1.Что называется теплоотдачей?

2.Перечислите факторы, влияющие на величину коэффициента теплоотдачи

3.Раскройте физический смысл критерия Пекле.

4.Раскройте физический смысл критерия Галилея.

5.Раскройте физический смысл критерия Прандтля.

6.Поясните смысл понятий: определяющий размер, определяющая температура.

7.В чем отличие вязкостного течения теплоносителя от вязкостногравитационого?

1.7.1.Основные понятия и определения

Теплообмен, обусловленный превращением внутренней энергии тела в энергию электромагнитных волн, переносом этой энергии и поглощением ее другими телами, называется теплообменом и излучением.

Согласно волновой теории, излучение можно представить волновыми колебаниями, с частотой ν и длиной волныλ . Произведение частоты и длины

волны есть скорость распространения, равная скорости света:

C ≈ λ ν ≈3 108м/с (1.88)

Согласно корпускулярной теории, энергия излучения передается в виде порций энергий-фотонов.Каждый фотон движется со скоростью света и имеет определенную энергию, заданную соотношением:

где h – постоянная Планка, h ≈ 6,63 10−34 Джּс.

Тепловое излучение сосредоточено между длинами волн от 10-3 до 0,7ּ10-

6м.

Большинство твердых и жидких тел имеет сплошной (непрерывный) спектр излучения, т. е. излучает энергию всех длин от 0 до ∞.

Газы и пары характеризуются селективным (прерывистым) спектром излучения.

Количество лучистой энергии, испускаемой с единицы площади поверхности тела в единицу времени, называются поверхностной плотностью излучения:

и измеряется в Вт/м2. Лучистый поток с площади поверхности F определяются выражением:

В общем случае плотность потока излучения может неравномерно распределяться по поверхности тела. Она может изменяться по определенным направлениям излучения, поэтому вводится понятие интенсивности излучения.

Интенсивностью излучения называется количество лучистой энергии, излучаемой в определенном направлении элементарной площадкой, расположенной перпендикулярно направлению излучения, в единице телесного угла за единицу времени.

Выделим на поверхности излучаемого тела элементарную площадку dF и

нормалью n к площадке в элементарном телесном угле dω (рис.1.11).

рис. 1.11

Энергия этого излучения равна d'Q. Проекция площадкиdF на плоскости, перпендикулярной направлению излучения, равнаdFcosφ.

По определению интенсивность излучения может быть представлена в виде:

Интенсивность излучения для определенной точки на поверхности тела может быть неодинаковой по различным направлениям. Если JS по всем

направлениям будет одинаковой и излучение исходит из поверхности твердого тела, то оно называется диффузионным. Интенсивность излучения зависит от природы тела, его температуры, длины волны, состояния поверхности, а для газов – еще от толщины слоя и давления.

Понятия – плотность лучистого потока Е и интенсивность излученияJS – относятся к интегральному (полному) излучению.

Излучения, протекающие в узком интервале длин волн (монохроматичекое излучение) от λ доλ + dλ , обозначаются:Eλ иJSλ .

Если на пути теплового излучения Епад встречается тело (среда, обладающая плотностью), то, тепловая энергия частично отражаетсяЕотр и частично проходит сквозь телоЕпр (рис. 1.12).

Рис. 1.12

На основании принципа сохранения энергии можно записать:

где R иD – коэффициенты отраждения и пропускания соответственно. КоэффициентыА,R иD связаны между собой равенством:

А+R+D=1.

Коэффициенты А,R иD определяются опытным путем. ЕслиR=D=0, тоА =1, то тело поглощает все падающие на него излучения (абсолютно черное тело). ЕслиD=А, тоR=1, то поверхность тела отражает все падающие на него излучения (абсолютно белое тело).

Если R=А, тоD=1, то тело пропускает все падающие на него лучи (абсолютно прозрачное тело).

Помимо собственного излучения Е, определяемого свойствами самого тела, участвующее в лучистом теплообмене тело отдает часть падающей на него энергии:

Сумма энергий собственного и отраженного излучения составляет эффективное излучение тела:

Е эф=Е+ R Eпад.=Е+(1-А)Eпад (1.97)

Эффективное излучение зависит от физических свойств и температуры данного тела физических свойств и температуры окружающей среды тело, а также от формы, размеров и относительного расположения тел в пространстве.

Разность между собственным и поглощенным излучением называется результирующим излучением:

1.7.2. Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрачной средой

При анализе лучистого теплообмена между телами принимаются определенные допущения. Собственное и относительное излучение всех тел, между которыми происходит лучистый теплообмен, подчиняются закону

где Jφ иJn – интенсивность интегрального излучения в направлении, определяемом угол φ и направлении нормали к поверхности.

Рассмотрим теплообмен между неограниченными плоско параллельными плоскостями. Обе плоскости (с индексом 1и 2) излучают в пространство энергию, которая частично поглощается и отражается самими плоскостями, причем эти процессы многократно повторяются. Принимаем, что Т1>Т2. Тогда для эффективного потока излучения от первого тела ко второму запишем:

где εпр - приведенная степень черноты системы, определяемая формулой:

большой степенью черноты (ε1 иε2 не менее 0,8)εпр приближенно может быть принята равнойε1 ,ε2 .

1.7.3. Особенности излучения газов и паров. Сложный теплообмен

Одноатомные и двухатомные газы не обладают заметной излучательной способностью и являются практически прозрачными для излучения. Трехатомные газы (Н2О, СО2 и др.) обладают значительной излучательной и поглощательной способностью, которая носит резко выраженный селективный характер.

В отличие от твердых и жидких тел излучение газов носит объемный характер.

Количество поглощаемой газом энергии зависит от толщины газового слоя и концентрации поглощающих (излучающих) молекул.

Концентрация обычно оценивается парциальным давлением газа р. Толщина газового слоя и парциальное давление газа в одинаковой мере влияют на число молекул, поэтому степень черноты газа и его поглощательную

где V – газовый объем;

F – площадь поверхности оболочки.

Достаточно полно изучен теплообмен излучением для Н2О и СО2, которые содержаться в продуктах сгорания топлив. Плотность их собственного интегрального излучения по экспериментальным данным определяется из выражений:

Из уравнений (1.109) и (1.110) видно, что парциальное давление р и толщина слоя l оказывают большее влияние на излучение Н2О, чем на излучение СО2. Поэтому при малых толщинах слояl преобладает излучение СО2, а при больших – излучение Н2О.

Выражения (1.109) и (1.110) показывают, что излучение газов не подчиняется закону Стефана-Больцмана,который устанавливает зависимость

плотности интегрального полусферического излучения от температуры абсолютно черного тела.

Плотность теплового потока, передаваемого газом, содержащим СО2 и Н2О

где εэф - эффективная степень черноты стенки;

Аг – поглощательная способность газа при температуре стенки;Тс – температура стенки;ТГ – температура газов.

Степень черноты газов при температуре ТЖ определяется из графика (рис. 1.13).

Рис.1.13

Значение степени черноты εсо2 иεН2О в зависимости от температуры и

параметра рl принимаются из справочника.

Сложным теплообменом называют процесс переноса теплоты, при котором теплообмен излучением протекает совместно с теплопроводностью и конвекцией. В сложном теплообмене излучение является важной составной частью.

Сложный теплообмен можно разделить на три разновидности:

1.Теплообмен излучением между потоком излучающего газа и стенками канала.

2.Радиоционно-кондуктивныйтеплообмен.

3.Радиоционно-конвективныйтеплообмен.

При теплообмене излучением между потоком излучающего газа и стенками канала обычно пренебрегают теплопроводностью и считают, что теплота переносится только конвекцией в направлении движения потока.

Здесь учитывается неравномерное распределение температуры газа по сечению канала и его длине, возникающее из-затеплообмена. Оказывается, что теплота, переданная излучением, не растет монотонно с ростом степени

черного газового объема, а имеет максимальное значение при некотором ее значении. Уменьшение количества передаваемой теплоты при большой поглотительной способности среды объясняется тем, что охладившиеся пристенные слои малопрозрачного газа выполняют роль экрана, не пропуская на стенку излучение от удаленных слоев излучающего газа.

При радиоцинно-кондуктивномтеплообмене происходит процесс переноса теплоты в неподвижной ослабляющей и теплопроводящей среде путем излучения и теплопроводности. В случае нерассеивающей среды этот вид теплообмена характеризуется оптической толщиной слоя средыk l, степенью черноты тепловоспринимающих поверхностейεСГ1 ;εСГ2 , относительной

температурой поверхности, имеющей низкую температуру θ =Т2 /T1 и

параметром, характеризующим взаимную интенсивность переноса теплоты теплопроводностью и излучением:

где Ki –критерийКирпичева.

Если N → ∞, то теплота переносится только теплопроводностью,N →0 – только излучением.

Радиационно-кондуктивныйтеплообменявляется весьма сложным видом теплообмена. Сравнительно простые решения задчи получаются лишь для некоторых частных случаев.

При оптически тонком слое (k l=0) излучение не поглощается в среде, а переносится от одной поверхности к другой, как в случае прозрачной (диатермичной) среды. Полный тепловой поток определяется простым суммированием лучистого и кондуктивного потоков:

q = (εCT1εCT 2)/(εCT1+εCT 2−εCT1εCT 2) σ0(T14 −T24) + (λ /δ )(T1−T2) (1.113)

При оптически толстом слое (k l → ∞) влияние радиационных свойств поверхностей простирается в глубь объема, а характеристики излучения в любой точке объема зависят лишь от условий в непосредственной близости от этой точки. В этом случае полный тепловой поток складывается иначе, чем в уравнении (1.113), радиационный поток несколько видоизменяется:

Радиационно-конвективныйтеплообменвесьма сложен в физическом отношении и описывается довольно сложной системой уравнений. Эти оба обстоятельства затрудняют как аналитические, так и экспериментальные исследования сложного теплообмена, в связи с тем, что задача его инженерного расчета еще далека от своего решения. В практических расчетах обычно используются независимо конвективный и лучистый потоки, что оказывается достаточно верным, если один из них значительно меньше другого.

Для учета теплоотдачи излучением к коэффициенту теплоотдачи конвекцией, подсчитанному обычным образом, т.е. без учета радиационного теплообмена на профили скорости и температуры, рекомендуется прибавлять

studfiles.net

05-Теплообмен излучением

05-ТЕПЛООБМЕНИЗЛУЧЕНИЕМ.

1. Основные понятия передачи теплоты излучением.

Передача теплоты происходит в результате распространения электромагнитных колебаний, энергия которых при взаимодействии с веществом переходит в теплоту. Любое тело, температура которого отлична от абсолютного нуля, излучает электромагнитные колебания с различными длинами волн и частот, то есть его излучение характеризуется определенным спектром длин волн. Помимо волновых свойств, излучение обладает корпускулярными свойствами, состоящими в том, что излучение и поглощение энергии телами происходит отдельными порциями (квантами или фотонами), которые обладают энергией, количеством энергии массой. Поэтому процессы поглощения и излучения лучистой энергии описываются законами квантовой механики, а процессы распространения энергии законами волновой теории электромагнитных колебаний.

Носителем теплового излучения является ЭМ волны, которые распространяются в однородных изотропных средах и в вакууме со скоростью света в соответствии с законами оптики. ЭМ волны

непрерывный и сплошной. Длина волны излучение от нуля до бесконечности. Спектр излучения газов дискретный. Так как газы излучают и поглощают лучистую энергию только в определенных интервалах длин волн, то есть обладают селективным или выборочным свойством.

Теория теплообмена и излучения не рассматривает детальный механизм испускания и поглощения электромагнитного излучения веществом, то есть не рассматривает на микроскопическом уровне. Задача этой теории описать суммарное (результирующее), макроскопические эффекты этих процессов (давление и температура).

В теории лучистого теплообмена принимается, что процессы взаимодействия излучения с твердыми или жидкими телами

сосредоточены на поверхности этих тел. Исключением являются газы, имеющую высокую прозрачность и обладающие поэтому объемным излучением. Для нас наибольший интерес представляют лучи, возникновение которых определяется только температурой и оптическими свойствами излучающего тела, то есть как тело взаимодействует с подающими на него лучами. Такими свойствами обладают световые и инфракрасные лучи, имеющую длину волны 0.4 – 800 мкм. Такие лучи называют тепловыми, а процесс их распространения –тепловым излучением (тепловой радиацией).

Природа тепловых или световых лучей одна и та же. Разница между ними только в длине волн ( свет=0,4....0,8мкм,тепл=0,8....800мкм). Законы распространения, отражения и преломления, установленные для световых лучей, справедливы и для тепловых. Поэтому при изучении сложных явлений теплового излучения проводят закономерную аналогию со световым излучением, которое лучше изучено, так как доступно непосредственному наблюдению. Тепловое излучение свойственно всем телам, так как каждое из них излучает энергию в окружающее пространство. При попадании на другие тела, эта энергия частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело. Количество энергии, падающее на поверхность тела в единицу времени называетсялучистым тепловым потоком (Q). Размерность Q = [Дж/с]=[Вт]. Лучистый поток, отнесенный к единице площади называетсяплотностью излучения или

излучательной способностью.

Е=Q/F

Размерность Е=[Вт/м2]. Плотность излучения учитывает всю энергию, излучаемую единицей поверхности тела в пределах полусферы во всем диапазоне длин волн. Поэтому ее называют

плотностью полусферического излучения.

Спектральной (монохроматической) интенсивностью

излучения I называют энергию, излучаемую единицей поверхности тела в единицу времени в интервале волнd .

Поэтому Е называют интегральной интенсивностью полусферического излучения.

Q0 – общее количество лучистой энергии, падающее на тело со стороны других тел;

QR – отраженная телом часть энергии; QA – поглощенная часть энергии; QD – часть энергии, которая пройдет сквозь тело.

QA+QR+QD=QO

QAQRQD1

Q0Q0Q0

A+R+D=1

где, А – поглощательная способность тела; R – отражательная способность тела; D – пропускательная способность тела.

Если А=1, R=0, D=0, то тело поглощает всю падающую на него энергию (абсолютно черное тело). Если R=1, A=0, D=0,то: 1. Если отражение происходит по законам геометрической оптики, то тело называютзеркальным. 2. Если отражение диффузное (рассеянное), то тело называютабсолютно белым. Если D=1, A=0, R=0, то тело называютабсолютно прозрачным илидиатермическим.

Если на тело извне не падает никаких лучей, то с единицы поверхности тела отводится лучистый поток, равный E1. Он полностью определяется температурой и физическими свойствами тела. Этособственное излучение тела или его излучательная способность.

Однако обычно на тело со стороны других тел падает лучистая энергия E2 -падающее излучение.

A1E2- поглощенное излучение (1-A1) E2- отраженное излучение.

Собственное излучение тела E1 в сумме с отраженным называеютэффективным излучением тела.

Eэфф=Е1+(1-А1)Е2

Это фактическое излучение тела, которое мы определяем при измерении приборами. Eэфф зависит от физических свойств и температуры не только данного тела, но и окружающих его тел, а также от их формы, размеров и относительного расположения в пространстве.

Результирующее излучение Ерез представляет собой разность Ерез=Е1 -А1Е2 и определяет поток энергии, который данное тело

передает окружающим телам в процессе лучистого теплообмена. Если Ерез 0, то тело получает энергию. Ерез 0, то тело излучает

энергию.

2. Законы излучения абсолютно черного тела.

Закон Планка. Выражает зависимость спектральной

[Дж/К]. R- постоянная газовая,N- число Авогадро.

Для каждой температуры имеется определенное значение длины волны max , при которой спектральная интенсивность абсолютно черного тела максимальна. Для видимой части спектра (0.4 – 0.8 мкм), излучательная способность (энергия видимого излучения) очень мала по сравнению с энергией инфракрасного излучения.

Закон смещения Вина устанавливает связь между длиной волныmax , сооветствующей максимальной спектральной интенсивности абсолютно черного тела, и его температурой.

max T 2.898 [мкм К]

При повышении температуры max смещается в сторону более коротких длин волн.

Лекция 6

3. Закон Стефана-Больцмана(закон четвертых степеней).

Дж. Стефан установил в 1879г. на основе экспериментальных данных. Больцман в 1884г. вывел теоретически на основе законов термодинамики. Этот закон устанавливает связь между лучеиспускательной способностью абсолютно черного тела и его температурой.

Если разложить подынтегральную функцию в ряд и

К4)] – величинаСтефана-Больцмана(коэффициент излучения АЧТ). Если проинтегрировать кривую температур, то получим площадь, суммарная энергия которой заключена под этой кривой по всем длинам волн.

В технических расчетах закон Стефана-Больцманачасто

(С0 =5.67 [Вт/м2 К] – коэффициент излучения АЧТ).

4. Излучение реальных (серых) тел. Понятие серого тела.

0<A<1 – поглощательная способность тела. Для реальных тел изменения плотности их излучения от длины волны может быть установлено только на основе опытного излучения спектра. При этом, если спектр излучения тела непрерывен и его кривая зависимости подобна соответствующей кривой для АЧТ при той же

Если излучение серого тела связано с излучением АЧТ соотношением I I0, , то оно подчиняется закону Планка.

После интегрирования этого выражения по , получимЕ= Е0 Следовательно, для расчетов лучеиспускательной способности

серого тела можно воспользоваться законом Стефана-Больцмана:

где, С – коэффициент излучения серого тела. Понятие «серого тела» так же является абстракцией, так как в природе нет таких тел.

Даже твердые тела со сплошным спектром излучения имеют степень черноты , зависящую от и Т ( f ( ,T)), то есть их излучение не подчиняется закону Планка. Но в настоящее время все практические теплотехнические расчеты лучистого теплообмена, основываются на допущении, что тела участвующие в теплообмене, являются серыми. Для реальных тел вводится понятиеинтегральной степени черноты.

спектральная степень черноты тела.

5. Законы излучения серых тел.

Закон Кирхгоффа.

Реальные тела – это серые тела. Понятие «серого тела» введено для того, чтобы мы могли для расчетов лучистого излучения пользоваться законами для абсолютно твердого тела (АТТ). Закон Кирхгоффа устанавливает связь между излучательной и поглощательной способностями тела.

Постановка задачи. Пусть имеется две параллельные поверхности, из которых одна является абсолютно черной, например, правая.

Если температуры этих поверхностей отличны от нуля, то они излучают энергию. Правая поверхность поглотит всю энергию Е, выделяемую левой поверхностью. Е0 – максимальная энергия, которую может выделить правая поверхность. АЕ0 – энергия, которую поглощает левая поверхность.(1-А)Е0 – отраженная энергия.

Для левой поверхности: Ерезульт q Е А Е0 Взаимное излучение между поверхностями будет происходить

и при Т=Т0, q=0, тогдаЕ-Е0А=0следовательно Е=АЕ0, Е/А=Е0. Отсюда получаем, что:

На основании последнего равенства можно дать формулировку закона Кирхгоффа: при термодинамическом равновесии отношение излучательной способности к поглощательной для всех тел одинаково и равно излучательной способности АЧТ при той же температуре.

Т 4 Е1А1Е0А1С0100

Делаем вывод, что 1 А1 , то есть при термодинамическом равновесии поглощательная способность и степень черноты тела равны между собой.

Закон Ламберта. ЗаконСтефана-Больцманаопределяет

количество энергии, излучаемое телом во всех направлениях полусферического пространства. Каждое направление определяется углом , который образуется с нормалью к поверхности (излучающей).

d - величина пространственного угла, под которым поверхность dF1 «видит» поверхность dF2.

Изменение излучения по отдельным направлениям определяется законом Ламберта. Согласно этому закону

количество энергии, излучаемой элементарной поверхностью dF1 в направлении dF2, пропорциональна количеству энергии, излучаемой по нормали, умноженному на величинуd и cos.

d2Q1 2 En d cos dF1

Можно показать, что Еn E , то есть плотность излучения в

направлении нормали в раз меньше полной плотности излучения тела.

Следовательно закон Ламберта имеет вид:

Это уравнение служит для расчета лучистого теплообмена между поверхностями конечных размеров.

Закон Кеплера (закон квадратов расстояний) устанавливает, что

излучательная способность точечного источника излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния между источником и излучаемым телом.

ЕRE12

R

где Е1 – плотность лучистого потока на расстоянии одного метра. R – расстояние между источником и излучаемым телом.

При увеличении размеров источника закон Кеплера теряет свою силу.

6.Теплообмен излучением между двумя твердыми телами.

Постановка задачи. Пусть имеются два произвольно расположенные в пространстве поверхности dF1 и dF2, разделенные лучепрозрачной средой. Температуры эих поверхностей соответственно Т1 и Т2 (Т1>Т2). Нужно определить результирующий лучистый поток с dF1 на dF2.

studfiles.net

6.3. Теплообмен излучением

Разумеется, мы рассмотрели не все возможные случаи конвективного теплообмена. В данном разделе мы попытались показать основные закономерности и подходы к решению наиболее часто встречающихся задач. Описание других примеров конвективного теплообмена, например, в аппаратах с механическим перемешиванием или непосредственным контактом газового и жидкого теплоносителей, а также критериальные уравнения для коэффициентов теплоотдачи можно найти в специальной литературе.

Нами рассматривался перенос массы, импульса и энергии за счет трех механизмов: молекулярного, турбулентного и конвективного. Перенос тепла в дополнение к вышеназванным может происходить и за счет излучения. Принципиальной особенностью данного механизма является возможность переноса энергии в отсутствие среды, т.е. в вакууме. Перенос тепла излучением осуществляется за счет потока фотонов или электромагнитных волн (применима как корпускулярная, так и волновая модели). При этом как минимум дважды происходит преобразование энергии: тепловая энергия при излучении превращается в лучистую, а затем при ее поглощении другим телом вновь переходит в тепловую.

Можно отметить, что излучением переносятся также масса и импульс (фотон обладает массой и импульсом), но доля данного механизма в их переносе, как правило, ничтожна мала, и поэтому не учитывается при расчете аппаратов химической технологии.

За счет теплового движения при неупругом соударении молекул (атомов) часть кинетической энергии переходит в потенциальную энергию молекул, они возбуждаются. Возбужденное состояние неустойчиво и по прошествии времени  10-9 - 10-8 с молекула переходит в состояние с меньшей энергией, испуская фотон. Поскольку энергия отдельной молекулы в соответствии с квантовомеханической теорией может принимать лишь определенные дискретные значения, то поглощать, а затем и излучать энергию молекула может только определенными порциями (квантами). Этим объясняется излучение изолированными атомами (разреженные газы) волн определенных длин (линейчатый спектр), соответствующих переходам электронов, находящихся на внешнем энергетическом уровне. Для молекул возможны переходы между колебательными и вращательными энергетическими уровнями, что приводит к размыванию спектральных линий (полосатый спектр).

В плотных конденсированных средах (жидкость, твердое тело) молекулы находятся в постоянном взаимодействии друг с другом, что приводит к смещению и размыванию их энергетических уровней. Этим объясняется сплошной, а не дискретный спектр излучения конденсированных систем. Однако и сплошной спектр неоднороден - наблюдаются максимумы излучаемой энергии на одних длинах волн и минимумы на других. Чем выше температура тела, тем интенсивнее тепловое движение и, следовательно, больше вероятность возбуждения молекул и порции поглощаемой, а затем и излучаемой энергии, что приводит к увеличению интенсивности и средней частоты волны теплового излучения (уменьшению средней длины волны). Таким образом, тепловое излучение - это излучение, вызванное тепловым движением частиц среды.

Основная часть спектра теплового излучения при температурах, применяемых в химической технологии, сосредоточена в диапазоне длин волн от 0,4 до 800 мкм. Излучение и распространение таких электромагнитных волн называют тепловым излучением, или радиацией, а теплообмен, осуществляемый с их помощью, лучистым, или радиационным. В свою очередь, эти волны можно подразделить на световые 0,40,8 мкм (видимые) и инфракрасные 0,8800 мкм (невидимые). Природа светового и инфракрасного излучения одна и та же, как и законы его распространения, отражения и преломления. Каждое тело, находящееся при температуре выше нуля градусов Кельвина, излучает энергию в окружающее пространство. Количество энергии, излучаемое в единицу времени единичной поверхностью, носит название потока излучения, или излучательной способности Е, Вт/м2. При попадании потока излучения на тело одна часть его поглощается, другая проходит сквозь тело, а третья отражается в окружающее пространство (рис.6.15). В соответствии с законом сохранения энергии можно записать

, (6.152)

или . (6.153)

Если доля поглощаемого потока излучения (поглощательная способность) Xпог = 1, то Хпр = Хотр = 0 и такое тело называется абсолютно черным (поглощает все излучение, не отражая и не пропуская). Если доля проходящего потока Хпр = 1, то Хпог = Хотр= 0, а такое тело называют абсолютно проницаемым или прозрачным (пропускает все изучение, не поглощая и не отражая его). Если доля отражаемого потока Хотр = 1, то Хпог = Хпр = 0, а тело называется абсолютно белым (отражает все излучение, не пропуская и не поглощая его).

Разумеется, реальные тела такими свойствами не обладают, они лишь могут приближаться к этим идеализированным моделям.

Большинство твердых тел практически непрозрачны (Хпр = 0, Хпог + Хотр = 1), такие тела называются серыми, а одно- и двухатомные газы, наоборот, пропускают большую часть излучения (Хпр 1, Хпог=Хотр0).

Теоретическое определение излучательной способности реальных тел весьма затруднительно. Однако для абсолютно черного тела справедлив закон Стефана-Больцмана:

, (6.154)

где 0 = 5,6710-8 Вт/(м2  К4 ) - постоянная Стефана-Больцмана. Индексом "0" будем обозначать величины, характеризующие абсолютно черное тело. Для описания излучательной способности реальных тел вводят поправку  называемую степенью черноты тела, которая определяется свойствами веществ и является в общем случае функцией температуры (Т):

. (6.155)

В конденсированных средах вследствие большой плотности вещества и высокой частоты столкновений молекул тепловое изучение и поглощение происходят в непосредственной близости от поверхности фазы и  существенно зависит от чистоты и шероховатости поверхности. В газовой фазе тепловое излучение и поглощение осуществляется во всем объеме фазы, что приводит к зависимости  от давления и толщины газового слоя.

Если бы тело было абсолютно изолировано от других, то с его поверхности отводился бы поток излучения, определяемый соотношением (6.155). Однако в действительности каждое тело окружено другими телами, также излучающими энергию. В этом случае результирующий поток излучения, передаваемый серым телом в окружающую среду, может быть представлен как поток тепла за счет излучения от границы раздела фаз к ядру фазы (рис. 6.15):

. (6.156)

Для определения полного потока тепа через межфазную границу необходимо просуммировать тепловые потоки за счет всех механизмов переноса: теплопроводности (молекулярной и турбулентной), конвекции и изучения:

. (6.157)

Необходимо отметить, что теплообмен излучением является сложным процессом многократных излучений, поглощений и отражений энергии системой тел. Результирующий поток излучения от более нагретого тела 1 к менее нагретому 2 может быть представлен в виде

, (6.158)

где пр - приведенная степень черноты системы двух тел с поверхностями F1 и F2; 12 - угловой коэффициент излучения, зависящий от взаимного расположения и формы поверхностей.

Рис. 6.15. Различные составляющие теплового потока при лучистом теплообмене

Так, например, для системы из двух бесконечных параллельных плоских непрозрачных пластин в прозрачной среде

. (6.159)

Поток излучения от стенки 1 к газовой фазе 2 также можно представить в виде (6.158), что при допущении 1, 2 = const приведет к (6.159).

Можно переписать уравнение лучистого теплообмена в виде, аналогичном уравнению теплоотдачи, введя условный коэффициент теплоотдачи излучением и, что позволяет достаточно просто представить суммарный тепловой поток от стенки к газу за счет теплопроводности и излучения:

, (6.160)

, (6.161)

. (6.162)

Обычно пренебрегают влиянием излучения на т, используя соотношения для коэффициента теплоотдачи, полученные в отсутствие лучистого теплообмена. Из (6.161) следует сильная зависимость коэффициента теплоотдачи излучением от температуры и  Т3, поэтому доля теплового потока за счет излучения резко возрастает с увеличением температуры. При теплообмене между стенкой и жидкостью, как правило, лучистой составляющей можно пренебречь вследствие высоких значений т в жидкой фазе.

studfiles.net

Способы теплопередачи (теплообмена)

Турист остановился отдохнуть. Живительное тепло костра согревает и похлёбку в котелке, и самого туриста. Физик по этому поводу скажет: внутренняя энергия пламени переходит во внутреннюю энергию окружающих тел: воздуха, котелка, туриста. То есть между телами происходит теплообмен – переход некоторого количества теплоты от одного тела к другому.

На рисунке показаны три способа теплообмена: теплопроводность, излучение и конвекция. Путём теплопроводности через дно и стенки котелка внутренняя энергия пламени переходит во внутреннюю энергию туристской похлёбки. Путём излучения – во внутреннюю энергию ладоней туриста и других тел. А путём конвекции – во внутреннюю энергию воздуха над костром.

Теплообмен теплопроводностью. Многочисленные опыты показывают: теплопроводность различных веществ различна: при одинаковых условиях они передают теплоту с разной скоростью.

Проделаем опыт (см. рисунок). Две проволоки, например медную и стальную одинаковой длины и толщины, укрепим так, чтобы их концы попали в пламя свечи. Мы увидим, что маленькие гвоздики, приклеенные воском, с медной проволоки начнут падать раньше. Значит, теплота по медной проволоке распространяется быстрее, чем по стальной.

Тела и вещества, способные передавать теплоту с большой скоростью, называются теплопроводниками. К ним в первую очередь относятся все металлы. Большинство газов передают теплоту очень медленно. Теплопроводность жидкостей (кроме жидких металлов) занимает промежуточное положение между теплопроводностью твёрдых тел и газов. Тела и вещества, передающие теплоту с малой скоростью, называются теплоизоляторами. К ним, например, относятся пенопласт, поролон, древесина, мех, вата и др.

Теплообмен конвекцией. На рисунке вы видите тень руки с зажжённой спичкой при освещении её фонариком. Волнистые тени над пламенем создают струйки поднимающегося тёплого воздуха. Это – пример конвекции. Так называют явление возникновения струй или потоков в нагреваемых или охлаждаемых жидкостях и газах (где действует сила Архимеда). Кроме того, с точки зрения термодинамики конвекция – это способ теплообмена, при котором внутренняя энергия переносится потоками неравномерно нагретых веществ.

Теплоообмен конвекцией часто встречается вокруг нас. Например, отопительные батареи располагают вблизи пола, но из-за конвекции тепло распространяется по всей высоте комнаты. Конвективные потоки также возникают в атмосфере, способствуя возникновению ветров и облаков, а также внутри кастрюль, которые нагреваются на кухонной плите, и так далее.

Теплообмен излучением. Известно, что тела, которые нагреты сильнее, чем окружающая среда, способны излучать энергию. Обратимся к опыту (см. рисунок). Нагреем в пламени гвоздь и приблизим его к ладони, не касаясь её, – ладонь почувствует тепло. Освободим вторую руку и приложим ладони друг к другу. Мы почувствуем, что ладонь, находившаяся вблизи раскалённого гвоздя, теплее, чем вторая. То есть происходит переход теплоты от гвоздя к ладони через слой воздуха.

Однако при теплообмене излучением энергия может переноситься без участия вещества. Так, например, энергия Солнца достигает нашей планеты, преодолевая огромные расстояния через космический вакуум, в котором вещество отсутствует.

Обобщим изученное в этом параграфе. При теплообмене конвекцией энергия переносится струями или потоками неравномерно нагретого вещества. При теплообмене теплопроводностью энергия переносится через слой вещества, но само вещество при этом не движется. При теплообмене излучением энергия переносится без участия вещества.

questions-physics.ru

• 
  Дорожная одежда это
• 
  Сеялки для посева зерновых культур
• 
  Электрофицированный или электрифицированный
• 
  Гидромеханическая коробка передач что это такое
• 
  Рессорная подвеска
• 
  Автобетононасос технические характеристики
• 
  Скг 401 габариты
• 
  Периодичность то
• 
  Перекрытие клапанов
• 
  Что такое шабрение
• 
  Уаз коробка