Энергия теплового излучения возникает в теле вследствие тепловой энергии и представляет собой электромагнитные колебания, имеющие длину волны 0,8…40 мкм. Эти колебания известны под названием ультрафиолетовых, световых (0,4…0,8 мкм) и инфракрасных лучей.
Излучение, испускаемое телом, падает на окружающие тела, частично поглощается ими (поглощенная энергия при этом превращается в теплоту), частично отражается и частично проходит сквозь тело. Та часть излучения, которая отражается, и та, которая проходит сквозь тело, попадает на другие тела и поглощается ими. Таким образом, каждое тело не только постоянно излучает, но и постоянно поглощает лучистую энергию.
Если из общего количества энергии Q, падающего на тело, поглощается qa, отражается Qr и проходит сквозь тело QD (рис. 11), то:
Q = Qa + Qr + Qd.
Рис.11. Реакция тела на тепловое излучение.
Отношение Qa / Q = А называют поглощательной способностью,отношение Qr / Q = R — отражательной способностью и отношение Qd / Q =D - пропускной способностью тела.
|
|
Следовательно, А + R + D = 1.
Если А = 1, R = 0, D = 0 — тело абсолютно черное, так как вся энергия поглощается телом.
А = 0,96 имеют шероховатые тела, покрытые сажей. Если R = 1, А = О, D = 0 — тело зеркальное и вся энергия отражается телом. При D = l, R = 0, А = 0 тело абсолютно прозрачное и вся энергия проходит через тело.
В природе абсолютно черных, прозрачных и зеркальных тел нет. Тела, поглощательная способность которых от длины волны не зависит, называются серыми телами.
На практике большинство тел можно принимать серыми, а так как твердые тела и жидкости для тепловых лучей практически непрозрачны (D = 0), то для них А + R = = 1; из этого следует, что если тело хорошо отражает, то оно плохо поглощает лучистую энергию и наоборот.
Основные законы лучистого теплообмена
Закон Стефана-Больцмана. По закону Стефана-Больцмана лучеиспускательная способность тела Е пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры:
(27)
где Е — лучеиспускательная способность тела, т. е. количество энергии, проходящей через единицу поверхности тела в единицу времени, в вт1м2.
С0 = 5,69 — константа излучения абсолютно черного тела в вт/ (м2·град4)
ε — степень черноты тела, характеризующая собой отношение лучеиспускательной способности Е серого тела к лучеиспускательной способности E0 абсолютно черного тела при той же температуре Т:
. (28)
Теплообмен между газом и поверхностью твердого тела. Газы излучают и поглощают энергию селективно, т. е. лишь в определенных интервалах длин волн (полосах), вне этих интервалов газы прозрачны. При теплообмене между газом и поверхностью твердого тела существенное значение имеет излучение (поглощение) следующих газов, широко применяемых в технике: углекислоты СО2, водяного пара Н2О, сернистого газа SО2, окиси углерода СО и некоторых других. Излучение одно- и двухатомных газов (кислорода, водорода, азота и др.) ничтожно и может не приниматься во внимание.
|
|
Для разных газов закономерности излучения различны. Для унификации закономерностей излучения в основу расчетов положен закон Стефана-Больцмана. Количество теплоты, которое получается (или отдается) вследствие излучения газа единицей поверхности стенки в единицу времени на основании закона Стефана-Больцмана, имеет вид:
, (29)
где Тг и Тw — абсолютные температуры газа и поверхности стенки;
А г — поглощательная способность газа при температуре стенки;
εг — степень черноты газа.
Если степень черноты стенки εw = 1…0,7, то эффективная степень черноты поверхности:
. (30)
Для разных газов степень черноты различна и зависит от температуры газа,давленияи средней длины луча. Зависимость между этими величинами устанавливается опытом, а для практических расчетов пользуются номограммами.
В заключение отметим, что для интенсификации теплообмена лучеиспусканием, очевидно, необходимо увеличить температуру излучающего тела и усилить степень черноты системы. Наоборот, чтобы уменьшить теплоотдачу, необходимо снизить температуру излучающего тела и уменьшить степень черноты. В тех же случаях, когда температуру изменять нельзя, для снижения теплоотдачи лучеиспусканием применяют экраны (например, из белой жести). При применении п экранов теплоотдача уменьшается в (п + 1)раз.
Пример. Определить потерю теплоты лучеиспусканием железной (ε = 0,8) трубы диаметром d = 0,1 м и длиной l = 4 м при температуре 5000 С. Температура окружающей среды 27° С.
= 5,69·3,14·0,1·4·0,8(54 - 0,274) = 3130 вт.