Расчет результирующего лучистого потока тепла между телами. Экраны

Расчет результирующего лучистого потока энергии между телами, разделенными прозрачной средой, в общем случае, очень сложен, так как его величина зависит от многих факторов: от формы облучающих друг друга тел, от их взаимного расположения в пространстве, от степени черноты их поверхности и др. Не вдаваясь в детали, укажем на то, что для самого распространенного на практике случая, когда одно тело полностью охватывает другое тело, т.е. когда тело 1 находится в полости, образованной телом 2 (рис. 8.8), результирующий поток лучистого тепла подсчитывается по формуле

. (8.46)

В формуле (8.46) обозначены: eп – приведенная степень черноты системы тел 1-2, определяемая как

(8.47)

где e1, F1, TW1 и e2, F2, TW2 – степень черноты, площадь и термодинамическая температура поверхности тел 1 и 2 соответственно; C0 = 5,67 Вт/(м2 К4)– константа излучения Стефана–Больцмана, умноженная на 108.

В формуле (8.47) сомножители единица при 1/e1 и при называются коэффициентами облученности первого тела на второе и второго тела на первое соответственно.

Рис. 8.8

При выводе формулы 8.46) предполагается, что e1 и F1 – это степень черноты и площадь поверхности тела, помещенного в полость, а TW1 – температура поверхности тела с большей температурой.

Нетрудно видеть, что если F1 << F2, то eп» e1, т.е. когда площадь поверхности тела 1 во много раз меньше площади поверхности тела 2, то приведенная степень черноты системы этих тел практически совпадает со степенью черноты поверхности тела 1.

В том частном случае, когда рассматривается теплообмен излучением между двумя параллельными пластинами, в формуле (8.47) надо положить F1 = F2.

Рис. 8.9

На практике часто между такими телами–пластинами приходится размещать параллельные им пластины–экраны (рис. 8.9), которые предназначены для того, чтобы уменьшить результирующий лучистый поток тепла. Экраны изготавливают, как правило, из фольги металлов, сплавов или диэлектриков. При наличии n экранов приведенная степень черноты систем тел 1 и 2 с плоскими экранами между ними определяется по формуле

(8.48)

Рассмотрение формул (8.46) и (8.48) свидетельствует о том, что если степени черноты поверхностей плоских тел 1 и 2 и экранов совпадают друг с другом, то установка одного экрана уменьшает величину ровно в два раза, а n штук экранов уменьшает в (n + 1) раз. Тем самым становится очевидной эффективность установки экранов между горячим телом 1 и холодным телом 2 при необходимости защитить тело 2 от лучистого теплового потока.

Применение экранов используется при создании самой эффективной экранно–вакуумной тепловой изоляции тел, конструктивное выполнение которой на рис. 3.5 дано на примере тепловой защиты цилиндрической трубы 1, внутри которой движется жидкость.

Снаружи труба 1 окружена системой концентрически расположенных экранов 2 в виде цилиндрических оболочек из фольги, отделенных друг от друга ребрами жесткости 3. Из пространства между экранами вакуум-насосом удаляется воздух и между ними возникает глубокое разрежение, так что затруднен подвод (или отвод) тепла конвекцией и излучением из окружающей среды к поверхности трубы.

Рис. 8.10