7.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЛУЧИСТОГО ТЕПЛООБМЕНА

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.

Под действием возбуждения колебаний в молекулах и атомах вещества (тела) возникают элек­тромагнитные колебания. Длина волны X (мкм) электромагнитного излучения находится в пределах: для рентгеновских лучей - 10-6.. .20 • 10-3; ультрафиолетовых - 20 • 10-3.. .0,4; видимых (световых) -0,4.. .0,8; тепловых (инфракрасных) - 0,8.. .800; а для радиоволн - 200 мкм.. .X км.

Излучение волн любой длины всегда превращается (трансформируется) в тепловую энергию. Но для световых и инфракрасных лучей

с длиной волны от 0,4 до 800 мкм это превращение выражено наиболее сильно. Такие лучи называют тепловыми, а процесс их распространения - тепловым излучением или радиацией. Лучистый тепло­обмен - широко распространенный в теплоэнергетике вид передачи теплоты.

В отличие от всех других видов излучения, тепловое инфракрасное (температурное) излучение оп­ределяется тепловым состоянием тела - его температурой. Тепловое излучение свойственно всякому телу, если его абсолютная температура отлична от нуля. Интенсивность теплового излучения резко уве­личивается с ростом температуры. Всюду, где в определенных условиях температура достигает порядка 600.. .700 °С и выше, превалирующим видом теплообмена (по сравнению с конвекцией) является радиа­

ция. 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.

Носителями квантов энергии являются элементарные частицы излучения - фотоны, обладающие энергией и электромагнитной массой. Излучаемая в единицу времени энергия соответствует очень уз­кому интервалу изменения длины волн от X до (X + dX). Излучаемая в единицу времени энергия, кото­рую можно характеризовать данным значением длины волн X, называется потоком монохроматическо­го излучения Qx. Поток излучения, соответствующий всему спектру, в пределах от нуля до бесконечно­сти, называется интегральным, или полным лучистым потоком Q (Вт).

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):

E = —,    откуда    Q = j EdF .

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/м2.

Плотность потока монохроматического излучения носит название спектральной интенсивности из­лучения JX и связана с плотностью потока интегрального излучения уравнением

Каждое тело не только излучает, но и поглощает лучистую энергию. Если тепловой луч на своем пути встречает какое-нибудь тело, то из всего общего количества падающей на тело лучистой энергии Eo (Qo) часть ее отражается в окружающее пространство - Еот (Qot), некоторая доля энергии, проникаю­щей в тело, поглощается - Епог (Qnoi-) и превращается в тепловую энергию, а остальная часть проходит сквозь тело и через окружающее пространство - Епр (Q^), после чего попадает на другие тела.

Таким образом, падающий на тело лучистый поток может быть разделен на три части: отраженную, поглощенную и пропущенную. Следовательно: Eo = Еот + Епог + Епр.

Для количественной оценки каждой части лучистой энергии вводят следующие понятия. Отноше­ние отраженной энергии к энергии, падающей на поверхность тела, называют отражательной способ­ностью тела:

Отношение поглощенной энергии к падающей энергии называют поглощательной способностью тела:

Отношение энергии, прошедшей сквозь тело, к падающей энергии называют пропускательной спо­собностью тела:

е q

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. 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 которых пропус-кательная 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 излучении 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 имеет 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.

Белая по цвету поверхность хорошо отражает лишь световые лучи, что используется для различ­ных объектов и сооружений, где инсоляция нежелательна. Тепловые же лучи невидимого инфра­красного излучения воспринимают поверхность тел только по состоянию ее шероховатости, но не цвета; точно так же как и глаз не «видит» инфракрасное излучение, но воспринимает всю гамму све­товых лучей.

Следовательно, цвет поверхности тела (его окраска) существенно влияет на поглощение и излу­чение только видимых лучей в соответствующем интервале длин световых волн. Естественно, что со световыми лучами поступает и тепловая энергия, которая в частности, используется в различных ге-лиотехнологических и солнечных установках: теплицах, сушилках, опреснительных установках, сол­нечных прудах.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я