Понятие лучистого теплообмена

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 E_пад, падаю­щей на тело (рисунок 12.1), поглощается (Е_A), часть отражается (E_R) и часть проникает сквозь него (E_D).

Таким образом

E_A+E_R + E_D = E_пад. (12.1)

Это уравнение теплового баланса можно записать в безразмерной форме:

A + R + D = 1. (12.2)

Величина А=Е_А/Е_пад называется коэффициентом поглощения,

R=E_R/Е _пад – коэффициентом отражения, D = Е_D/Е_пад – 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:

E_эф = E + RE_пад. (12.3)

Суммарный процесс взаимного испу­скания, поглощения, отражения и пропу­скания энергии. излучения в системах тел называется лучистым теплооб­меном.