Теплотехника (стр. 8 )

рис. 1.11

Энергия этого излучения равна d'Q. Проекция площадки dF на плоскости, перпендикулярной направлению излучения, равна dFcosφ.

По определению интенсивность излучения может быть представлена в виде:

′ (1.92)

Эту величину иногда называют яркостью излучения и измеряют в Вт/(м2ср).

Интенсивность излучения для определенной точки на поверхности тела может быть неодинаковой по различным направлениям. Если по всем направлениям будет одинаковой и излучение исходит из поверхности твердого тела, то оно называется диффузионным. Интенсивность излучения зависит от природы тела, его температуры, длины волны, состояния поверхности, а для газов – еще от толщины слоя и давления.

Понятия – плотность лучистого потока Е и интенсивность излучения JS – относятся к интегральному (полному) излучению.

Излучения, протекающие в узком интервале длин волн (монохроматичекое излучение) от до , обозначаются: и .

Если на пути теплового излучения Епад встречается тело (среда, обладающая плотностью), то, тепловая энергия частично отражается Еотр и частично проходит сквозь тело Епр (рис. 1.12).

Рис. 1.12

На основании принципа сохранения энергии можно записать:

Е пад= Е погл+ Е пр+ Е отр (1.93)

Введем обозначение:

А=Е погл/Е пад, (1.94)

где А – поглощательная способность поверхности тела (или коэффициент поглощения).

Аналогично выразим отражательную и пропускательную способность тела:

R= Е отр/Е пад (1.95)

D= Е пр/Е пад, (1.96)

где R и D – коэффициенты отраждения и пропускания соответственно.

Коэффициенты А, R и D связаны между собой равенством:

А+R+D=1.

Коэффициенты А, R и D определяются опытным путем. Если R=D=0, то А =1, то тело поглощает все падающие на него излучения (абсолютно черное тело). Если D=А, то R=1, то поверхность тела отражает все падающие на него излучения (абсолютно белое тело).

Если R=А, то D=1, то тело пропускает все падающие на него лучи (абсолютно прозрачное тело).

Помимо собственного излучения Е, определяемого свойствами самого тела, участвующее в лучистом теплообмене тело отдает часть падающей на него энергии:

Еотр= R Eпад.

Сумма энергий собственного и отраженного излучения составляет эффективное излучение тела:

Е эф=Е+ R E пад.= Е+(1-А) E пад (1.97)

Эффективное излучение зависит от физических свойств и температуры данного тела физических свойств и температуры окружающей среды тело, а также от формы, размеров и относительного расположения тел в пространстве.

Разность между собственным и поглощенным излучением называется результирующим излучением:

Е рез=Е - А E пад (1.98)

1.7.2. Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрачной средой

При анализе лучистого теплообмена между телами принимаются определенные допущения. Собственное и относительное излучение всех тел, между которыми происходит лучистый теплообмен, подчиняются закону Ламберта.

Для интенсивности излучения закон Ламберта имеет вид:

Jj=Jn·cosφ, (1.99)

где Jφ и Jn – интенсивность интегрального излучения в направлении, определяемом угол φ и направлении нормали к поверхности.

Рассмотрим теплообмен между неограниченными плоско параллельными плоскостями. Обе плоскости (с индексом 1и 2) излучают в пространство энергию, которая частично поглощается и отражается самими плоскостями, причем эти процессы многократно повторяются. Принимаем, что Т1>Т2. Тогда для эффективного потока излучения от первого тела ко второму запишем:

Е рез1,2=Е эф1-Е эф2 (1.100)

Согласно зависимости (8.95), получим:

Е эф1=Е 1-(1-А 1) Е эф2; Е эф2=Е 2-(1-А2) Е эф1; (1.101)

При составлении зависимостей (1.101) предполагалось, что Eпад1=Еэф2.и Eпад2=Еэф1.

Решая систему (1.101) относительно Еэф2 и Еэф1. , получим:

Еэф1=(Е1 + Е2 –А1Е2)/(А1+А2-А1А2) (1.102)

Еэф2=(Е1 + Е2 –А2Е1)/(А1+А2-А1А2)

Подставим из (1.102) выражения Еэф1 и Еэф2 в уравнение (1.100), получим:

Е 1,2=(Е1А2-Е2А1)/(А1+А2-А1А2) (1.103)

Тепловой поток q, переносимый излучением от первой плоскости ко второй, найдем из уравнений (1.103):

- из закона Кирхгофа для серых тел:

(Т)= А(Т) (1.104)

- плотность интегрального излучения:

Е(Т)= (Т)Ео(Т)= Со(Т/100)4 (1.105)

Тогда, (1.106)

где - приведенная степень черноты системы, определяемая формулой:

(1.107)

Из формулы (1.107) следует, что если одна из плоскостей обладает значительной степенью черноты по сравнению с другой: >>, то определяется величиной меньшей степенью черноты: . Для тел с большой степенью черноты ( и не менее 0,8) приближенно может быть принята равной ,.

1.7.3. Особенности излучения газов и паров.

Сложный теплообмен

Одноатомные и двухатомные газы не обладают заметной излучательной способностью и являются практически прозрачными для излучения. Трехатомные газы (Н2О, СО2 и др.) обладают значительной излучательной и поглощательной способностью, которая носит резко выраженный селективный характер.

В отличие от твердых и жидких тел излучение газов носит объемный характер.

Количество поглощаемой газом энергии зависит от толщины газового слоя и концентрации поглощающих (излучающих) молекул.

Концентрация обычно оценивается парциальным давлением газа р. Толщина газового слоя и парциальное давление газа в одинаковой мере влияют на число молекул, поэтому степень черноты газа и его поглощательную способность можно принять в зависимости от параметра р, где - средняя длина луча в пределах газового слоя, которая определяется по формуле:

=3,6V/F (1.108)

где V – газовый объем;

F – площадь поверхности оболочки.

Достаточно полно изучен теплообмен излучением для Н2О и СО2, которые содержаться в продуктах сгорания топлив. Плотность их собственного интегрального излучения по экспериментальным данным определяется из выражений:

(1.109)

(1.110)

Из уравнений (1.109) и (1.110) видно, что парциальное давление р и толщина слоя оказывают большее влияние на излучение Н2О, чем на излучение СО2. Поэтому при малых толщинах слоя преобладает излучение СО2, а при больших – излучение Н2О.

Выражения (1.109) и (1.110) показывают, что излучение газов не подчиняется закону Стефана-Больцмана, который устанавливает зависимость плотности интегрального полусферического излучения от температуры абсолютно черного тела.

Плотность теплового потока, передаваемого газом, содержащим СО2 и Н2О определяется по эмпирической формуле:

, (1.111)

где - эффективная степень черноты стенки;

Аг – поглощательная способность газа при температуре стенки;