Московский государственный технический университет им.Н.Э.Баумана

Факультет

Энергомашиностроение

Кафедра «Э-6»

Теплофизика

Филиал кафедры Э-6

«Компьютерная теплофизика и механика жидкости, газа и плазмы»

при Институте проблем механики РАН

Конспект лекций по курсу

«Теплообмен излучением и сложный теплообмен»

Конспект лекций составлен

д.ф.-м.н., профессором

Суржиковым С.Т.

Москва, 2006
ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ и сложный теплообмен

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Основные понятия

Все нагретые материальные объекты излучают энергию в окружающее пространство в форме квантов энергии электромагнитных волн. Кванты энергии излучаются атомами или молекулами вещества, распространяются в пространстве прямолинейно и в конце концов захватываются (поглощаются) другими атомами или молекулами в других областях пространства.

Скорость кванта c, длина волны l и частота n связаны соотношением

c = ln. (1)

В вакууме с = с₀ =2.9977×10⁸ м/с (скорость света в пустоте). В средах с=с₀/n, где n - абсолютный показатель преломления. Когда излучение переходит из одной среды в другую, а c в этих средах разные, то изменяется длина волны l, тогда как частота n остается неизменной. Энергия кванта равна hn и при таком переходе не меняется. Здесь h =6.63×10^-34 Дж×с ‑ постоянная Планка*.

Наиболее детальной характеристикой поля излучения в пространстве является понятие монохроматической интенсивности излучения. Эта величина характеризует поток энергии, переносимой электромагнитными квантами единичного интервала частот около значения n, пересекающими единичную площадку, нормальную данному направлению в пространстве, и движущимися внутри единичного телесного угла, ориентированного в этом направлении. Если пространственное и частотное распределение интенсивности известно, то имеется полная картина протекания радиационного процесса. Однако необходимость в столь детальном описании возникает обычно лишь при теоретическом анализе. В инженерной практике интерес представляют осредненные характеристики процесса:

интегральная плотность потока полусферического излучения E, Вт/м² - поток энергии, переносимой квантами всех частот, пересекающими единичную площадку в основании полусферы во всех направлениях пространства этой полусферы;

полный поток излучения , Вт, передаваемого через поверхность конечной площади.

Распределение энергии излучения по частотам или длинам волн характеризуется спектром излучения.

Спектральная или, что то же самое, монохроматическая плотность потока полусферического излучения относится либо к единичному интервалу частот

, (2)

либо к единичному интервалу длин волн

. (3)

В первом случае размерность спектральной плотности Вт×с/м², во втором Вт/(м²×м).

Значения и связаны между собой соотношениями

, (4)

Излучение, падающее на некоторое тело, может в самом общем случае частично отразиться (отраженная доля R падающего потока энергии называется коэффициентом отражения), частично поглотиться (доля A - коэффициент поглощения) и частично пройти сквозь тело (доля D - коэффициент пропускания). Поэтому всегда справедливо соотношение

(5)

Такое же соотношение имеет место и для монохроматического излучения:

, (6)

В предельных случаях:

А =1 (R = D =0)- абсолютно черное тело;

R =1 (A = D =0)- абсолютно отражающая поверхность;

D= 1 (A = R =0)- абсолютно прозрачное тело или диатермичная среда.

Моделью абсолютно черного тела служит малое отверстие, ведущее в большую закрытую полость. Любой луч, прошедший внутрь полости, после многократных отражений практически полностью поглощается и обратно не выходит (А» 1). Большинство конструкционных твердых тел (металлы, сплавы, теплоизоляционные материалы) и ряд жидкостей (спирты, вода) для тепловых лучей при заметных толщинах слоя практически непрозрачны (D»0). При этом

(7)

Для металлов D® 0 уже при толщине приблизительно 1 мкм, для диэлектриков - при толщинах около 1мм. Поэтому для упрощения рассмотрения часто полагают, что процессы поглощения и отражения, определяемые соотношением (7), протекают на самой поверхности тел. Если на поверхность такого тела извне не падает лучистая энергия, то единственный поток энергии, который можно зарегистрировать, будет исходить с поверхности тела в окружающее пространство. Этот поток энергии с плотностью E_соб называется собственным излучением тела. При сделанных выше оговорках можно считать, что излучение формируется на самой поверхности тела и, следовательно, зависит лишь от температуры, материала и состояния поверхности. В реальных условиях со стороны внешнего окружения на поверхность тела падает какой-то внешний поток энергии - падающее излучение плотностью . Часть этого потока в количестве поглощается телом - поглощенное излучения. Часть в количестве

(8)

отражается поверхностью тела - отраженное излучение. Сумма собственного и отраженного излучения образует эффективное излучение данного тела

, (9)

которое и регистрирует прибор. Наконец, разность между собственным и поглощенным

излучением образует результирующее излучение

(10)

Величина показывает суммарный расход (приход) энергии вследствие лучистого теплообмена с окружающей средой. Часто это - искомая величина в инженерных тепловых расчетах.