Тема 1.3 Теплообмін випромінюванням

План

1 Природа теплового випромінювання. Основні поняття і визначення.

2 Променистий потік, щільність променистого потоку.

3 Поглинальна, відбивна і пропускна здібності тіл.

 

1 Особливістю променистого теплообміну є відсутність безпосереднього стикання тіл, тому він може відбуватися при великій відстані від одного тіла до іншого.

Носієм променистої енергії є електромагнітні коливання з різною довжиною хвиль. В залежності від довжини хвилі розрізняють рентгенівські, світлові, проме-ні, інфрачервоні тощо. В теплообміні велике значення мають світлові, але більше – теплові (інфрачервоні) промені.

Теплове випромінювання властиве всім тілам; кожне з них при температурах, які відрізняються від абсолютного нуля, випромінює енергію безперервно.

Теплообмін випромінюванням є видом теплообміну, при якому енергія перено-ситься за допомогою електромагнітних хвиль (фотонів). Визначається тільки темпера-турою тіла та його оптичними властивостями і здійснюється в три етапи:

· внутрішня енергія тіла спочатку перетворюється в енергію випромінювання;

· енергія випромінювання поширюється в просторі;

· енергія випромінювання знову перетворюється в теплоту, тобто у внутрішню енергію тіла, яке поглинає променистий потік.

Променистий теплообмін має місце між всіма тілами та є єдино можливим способом переносу теплоти в вакуумі.

 

2 Потік випромінювання – це кількість променистої енергії, яка переноситься в оди-ницю часу через довільну поверхню. Позначення потоку випромінювання таке ж, як і теплового потоку, який переноситься іншими способами, - , а вимірюється в .

Щільністю потоку випромінювання називається потік випромінювання, який проходить через одиницю поверхні по всіх можливих напрямках в межах напівсферич-ного тілесного кута:

, (1.14)

 

3 Випромінювальна здатність визначається природою даного тіла і його температу-рою. Це – власне випромінювання тіла. Тверді тіла володіють переважно суцільним спектром випромінювання: вони здатні випромінювати хвилі всіх довжин за будь–якої температури ( ). Однак інтенсивність теплового випромінювання зростає з підвищенням температури тіла, і за високих температур (наближено за ) про-меневий теплообмін (між твердими тілами і газами) набуває домінуючого значення. Оскільки світло і теплове випромінювання мають однакову природу, між ними багато спільного: променева енергія поширюється в однорідному та ізотропному середовищі прямолінійно.

При попаданні потоку випромінювання на тіло в загальному випадку він ділить-ся на три частини: ту, що поглинається, відбивається і пропускається тілом.

Якщо щільність потоку випромінювання, яке падає на тіло, дорівнює , то тоді можна записати рівняння теплового балансу:

, (1.15)

Якщо розділити написаний вираз на величину , отримують:

. (1.16)

Величина називається поглинальною здібністю тіла (або коефіцієнтом поглинання), - відбивною здібністю (або коефіцієнтом відбивання), - пропускною здібністю (або коефіцієнтом пропускання).

Якщо , , то тіло називають абсолютно чорним (поглинає всі падаю-чі на нього промені). Тіла, для яких і не залежить від довжини хвилі падаючих променів, називають сірими.

Тіло, яке відбиває всі падаючі на нього промені, називають абсолютно білим. Для цього тіла , а .

Тіло, яке пропускає всі падаючі на нього промені, називається абсолютно прозорим, або діатермічним. Для нього , а . Здебільшого тверді тіла належать до непрозорих, проте майже всі гази, за винятком багатоатомних газів, є прозорими, або діатермічними.

Вводиться спеціальна класифікація променистих потоків, яка полегшує розумін-

ня процесу (рисунок 1.2). В ласним випромінюван-

ням називають випромінювання з поверхні тіла, яке

залежить тільки від температури і властивостей да-

ного тіла. Розрізняють також потоки: падаючого і

поглиненого випромінювання. Сума потоків власно-

го і відбитого випромінювання називається потоком

ефективного випромінювання. Різниця потоків

власного і поглинутого випромінювання називається

потоком результуючого випромінювання. Цим по-

током характеризується кількісно променистий теп-

лообмін між тілами.

Рисунок 1.2 - Види променистих

потоків

 

Зв’язки між різними видами променистих потоків ілюструються на рисунку 1.2. Власне випромінювання в подальшому позначається просто .

 

 

Лекція 4

 

Тема 1.4 Теплопередача

План

1 Складний теплообмін як сукупна одночасна дія теплопровідності, конвекції і

випромінювання.

 

1 Розподіл теплоперенесення на теплопровідність, конвекцію і теплове випромінюван-ня зручне для вивчення цих процесів. На практиці дуже часто зустрічається складний теплообмін, під час якого теплота переноситься двома або навіть трьома способами одночасно.

Найпоширенішим випадком складного теплообміну є тепловіддача від поверхні твердої стінки до газоподібного середовища, наприклад повітря (або від газу до по-верхні). При цьому теплота переноситься конвекцією завдяки контакту поверхні з га-зом, який її обмиває, і та сама поверхня випромінює і поглинає енергію, обмінюючися потоками випромінювання з газом і навколишніми предметами. Подібні процеси пере-несення теплоти називають складною тепловіддачею. Її типовими прикладами є втра-ти теплоти стінками апаратів в навколишнє середовище і внутрішнім повітрям примі-щення до внутрішньої поверхні зовнішньої стінки в холодний період року.

Кількість теплоти , яку віддає навколишньому середовищу стінка тепловим випромінюванням (або стінці навколишнє середовище), визначають по формулі

, (1.17)

де виражається рівнянням:

, (1.18)

Величина - це коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням, що показує, яку кількість теплоти, , віддає навколишньому середовищу стінка поверхнею теп-ловим випромінюванням за 1с за різниці температур між стінкою і середовищем ().

Сумарна віддача стінкою теплоти конвекцією і тепловим випромінюванням становить:

(1.19)

Позначивши сумарний коефіцієнт тепловіддачі конвекцією і випромінюван-ням

, (1.20)

отримують

(1.21)

Інтенсивність складного теплообміну характеризують сумарним коефіцієнтом тепловіддачі через те, що переважаючим буває конвекційне теплоперенесення.

Іноді впливом однієї зі складових сумарного коефіцієнта тепловіддачі можна знехтувати. Наприклад, зі збільшенням температури різко зростає тепловий потік ви-промінюванням, тому в топках парових котлів і печей, де швидкості течії газів невели-кі, а , можна вважати, що , і навпаки, під час теплообміну поверхні з потоком краплинної рідини переважаючим буде конвекційний теплообмін, тобто .

 

 

Лекція 5