Теплообмен излучением

В природе все тела способны излучать в окружающую среду электромагнитные волны различной длины. Электромагнитное излучение с длиной волны от 8·10^-10 до 8·10^-4 м создает тепловое воздействие. Такой теплообмен возникает за счет хаотического движения молекул одного тела, которое передается другому телу, вызывая в нем аналогичные колебания молекул.

Количественно тепловое излучение любого тела определяется его температурой. Равенство температур двух тел свидетельствует о равенстве энергий теплового излучения этих тел. Неравенство температур создает небаланс в обмене энергий излучений обоих тел.

Одной из основных характеристик лучистого теплообмена является излучательная способность тел, Вт/м²,

,

где Q – суммарное излучение тела с поверхности F (м²) в единицу времени, Вт.

Для практических расчетов процесса лучистого теплообмена используется теория Стефана-Больцмана (1884 г.), согласно которой энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна абсолютной температуре в четвертой степени

,

где σ₀ – постоянная излучения абсолютно черного тела; σ₀ = 5,67·10^-8, Вт/(м²К⁴).

Для практических расчетов используется уравнение:

,

где = 5,67, Вт/(м²К⁴) – коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Для любого серого тела

(3.8)

где ε = С/С₀ – степень черноты тела;

С – коэффициент излучения серого тела; С = 0÷5,67 Вт/(м²К⁴).

Однако лучистый теплообмен зависит не только от излучательной способности тел, но и от поглощательной способности. Кирхгоф установил связь между излучательной и поглощательной способностями тела.

Поглощательная способность тела оценивается коэффициентом поглощательной способности А. При температурном равновесии отношение излучательной и поглощательной способностей тела не зависит от природы тела и равно излучательной способности абсолютно черного тела при той же температуре, т.е.

Учитывая уравнение (3.8), получим: ε = А.

Предположим, что тело 2 (рис.3.14) является абсолютно черным телом. Тепловой баланс для абсолютно черного тела можно представить уравнением:

.

Если рассматривать лучистый теплообмен между двумя серыми телами, то происходит многократное взаимное переотражение двух основных падающих потоков Е₁ и Е₂. По закону Стефана-Больцмана можно записать следующие зависимости:

.

В результате действия двух потоков излучения получаем результирующее излучение, которое является разностью двух встречных лучистых потоков, падающих с противоположных сторон на некоторую воображаемую поверхность:

или ,

где С_пр – приведенный коэффициент излучения (приведенная излучательная способность), Вт/(м²К⁴), который определяется по уравнению:

.

Полная тепловая энергия, полученная телом при лучистом теплообмене, определяется по уравнению

, (3.9)

где F – площадь взаимной поверхности облучения, м², которая определяется в зависимости от площадей F₁ и F₂, участвующих в теплообмене поверхностей тел 1 и 2.

Если обменивающиеся лучистой энергией тела занимают произвольное пространство по отношению друг к другу, то в уравнение (3.9) вводится коэффициент, учитывающий угловое расположение излучательных поверхностей

,

где φ_1,2 – средний угловой коэффициент облучения. Этот коэффициент показывает, какая часть поверхности излучения, испускаемого одним телом, падает на другое.

Примером теплового излучения является тепло, которое попадает на поверхность земли от солнца; при прямом излучении в полдень и при угловом на закате или восходе солнца. Стоит только спрятаться в тень как прекращается действие солнечной радиации. Другим примером является лучистое тепло, действующее от костра.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение термодинамики?

2. Какие виды термодинамики Вы знаете?

3. Дайте определение термодинамической системы?

4. Что такое «термодинамический процесс» и какие они бывают?

5. Дайте определение термодинамического равновесия?

6. Охарактеризуйте основные термодинамические параметры?

7. Напишите основные уравнения состояния идеального и реального газа?

8. Покажите в координатах «давление – объем» состояние пароводяной среды?

9. Что обозначают параметры критической точки; представьте их для воды и водяного пара?

10. Назовите основные законы идеального газа?

11. Определение и уравнения первого начала термодинамики?

12. Какие преобразования можно показать в pv - Ts - диаграммах?

13. Свойства термодинамических процессов?

14. Какие термодинамические процессы Вы знаете?

15. Покажите изменение тепловой энергии в изохорном, изобарном и изотермическом процессах?

16. Напишите изменения параметров в адиабатном и политропном процессах?

17. Термодинамические свойства воды и водяного пара?

18. Покажите изменения параметров воды и водяного пара в hs - и Ts - диаграммах?

19. Дайте определение термодинамического цикла?

20. Дайте определение второго закона термодинамики?

21. Что такое цикл Карно, покажите его в pv - Ts - диаграммах?

22. Что такое цикл Ренкина, покажите его в pv - Ts - диаграммах?

23. Что такое тепломассообмен?

24. Какие виды тепломасообмена Вы знаете; объясните их на примерах?

25. Что такое теплопроводность?

26. Как изменяется температура в многослойной стенке?

27. Что такое конвективный теплообмен?

28. Покажите теплопередачу через стенку при конвективном теплообмене и теплопроводности?

29. Что такое температурный напор. Покажите его при противоточном и прямоточном движении теплоносителей в теплообменнике?

30. Что такое теплообмен излучением?