ТЕМА12. ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН
Тепловое излучение есть результат превращения внутренней энергии тел в энергию электромагнитных колебаний. При попадании тепловых лучей (волн) на другое тело их энергия частично поглощается им, снова превращаясь во внутреннюю. Так осуществляется лучистый теплообмен между телами.
Тепловое излучение как процесс распространения электромагнитных волн характеризуется длиной волны X и частотой колебаний ν = с/λ, где с – скорость света (в вакууме с = 3 · 108м/с).
Все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу, поэтому классификация излучения по длинам волн в зависимости от производимого ими эффекта носит лишь условный характер. При температурах, с какими обычно имеют дело в технике, основное количество энергии излучается при λ = 0,8…80 мкм. Эти лучи принято называть тепловыми (инфракрасными). Большую длину имеют радиоволны, меньшую – волны видимого (светового, 0,4…0,8 мкм) и ультрафиолетового излучения.
Тепловой поток, излучаемый на всех длинах волн с единицы поверхности тела по всем направлениям, называется поверхностной плотностью потока интегрального излучения Е, Вт/м2. Она определяется природой данного тела и его температурой. Это собственное излучение тела.
|
|
Часть энергии излучения Eпад, падающей на тело (рисунок 12.1), поглощается (ЕA), часть отражается (ER) и часть проникает сквозь него (ED).
Таким образом
EA+ER + ED = Eпад. (12.1)
Это уравнение теплового баланса можно записать в безразмерной форме:
A + R + D = 1. (12.2)
Величина А=ЕА/Епад называется коэффициентом поглощения,
R=ER/Е пад – коэффициентом отражения, D = ЕD/Епад – коэффициентом пропускания.
Тело, поглощающее все падающее на него излучение, называется абсолютно черным. Для этого тела А = 1. Тела, для которых коэффициент A < 1 и не зависит от длины волны падающего излучения, называются серыми. Для абсолютно белого тела R= 1, для абсолютно прозрачного D = 1.
Если поверхность поглощает тепловые лучи, но не поглощает световые, она не кажется черной. Более того, наше зрение может воспринимать такую поверхность как белую, например снег, для которого A =0,98. Стекло, прозрачное в видимой части спектра, почти не прозрачно для тепловых лучей (A = 0,94).
Рис. 12.1 – Распределение энергии излучения, падающей на тело
Твердые и жидкие тела в большинстве излучают энергию всех длин волн в интервале от 0 до ∞, т.е. имеют сплошной спектр излучения (хотя наибольшее количество энергии испускается в пределах длин волн от 0,8 до 80мкм). Чистые (неокисленные) металлы и газы характеризуются выборочным– селективным излучением, т. е. излучают энергию только определенных длин волн.
|
|
В большинстве твердых и жидких тел поглощение тепловых лучей завершается в тонком поверхностном слое, т. е. не зависит от толщины тела. Для этих тел тепловое излучение обычно рассматривается как поверхностное явление. В газе в силу значительно меньшей концентрации молекул процесс лучистого теплообмена носит объемный характер. Коэффициент поглощения газа зависит от размеров («толщины») газового объема и давления газа, т. е. концентрации поглощающих молекул.
Сумма потоков собственного и отраженного телом излучения называется его эффективным излучением:
Eэф = E + REпад. (12.3)
Суммарный процесс взаимного испускания, поглощения, отражения и пропускания энергии. излучения в системах тел называется лучистым теплообменом.