15.3. Лучистый теплообмен между телами
Обычно в теплотехнических расчётах требуется рассчитать лучистый теплообмен между телами, температура которых известна, а также известны размеры и степень черноты их поверхностей. Энергия излучения каждого тела может быть рассчитана на основании закона Стефана-Больцмана
. (15.14)
Здесь T1 и T2 — абсолютные значения температур первого и второго тела при условии, что T1 > T2;
п — приведенная степень черноты системы из двух тел, обменивающихся лучистыми потоками.
, (15.15)
где S1, S2 — площади наружных поверхностей, соответственно.
В случае, когда площадь поверхности первого тела исчезающее мала по сравнению с площадью второго, т.е. S1 << S2, то приведенная степень черноты такой системы будет равна степени черноты первого тела п = 1.
Наличие экранов между телами снижает интенсивность лучистого теплообмена. Причем, наличие одного экрана уменьшает количество передаваемого тепла в два раза, наличие двух экранов уменьшает количество передаваемого тепла в 3 раза, а наличие n экранов — в (n+1) раз.
15.4. Тепловое излучение газов
Как
и твердые тела, газы также обладают
способностью испускать и поглощать
лучистую энергию. Однако для разных
газов эти способности различны. Одно и
двухатомные газы практически прозрачны
(диатермичны), это относится к кислороду
O2, азоту N2,
и водороду H2. Поэтому
для технических расчётов интерес
представляют лишь многоатомные газы,
такие как водяной пар H2O
сернистый ангидрид SO2,
аммиак NH3, углекислый
газ CO2, которые
обладают значительной поглощательной
и излучательной способностью. Но процессы
теплового излучения и поглощения газов
резко отличаются от излучения твердых
тел. Твердые тела излучают (и поглощают)
лучистую энергию всех длин волн от
= 0 до
= ∞. Газы излучают и поглощают энергию
в определенных интервалах длин волн.
То есть излучение и поглощение газов
имеет избирательный (селективный)
характер.
Кроме того процессы испускания и поглощения лучистой энергии у твердых тел происходят на поверхности, а у газов эти процессы протекают всегда в объеме.
При прохождении фотонов через объем газов некоторая часть их поглощается молекулами газа. Энергия фотонов передается молекулам, газ нагревается. Так происходит процесс поглощения лучистой энергии в объеме газа. Одновременно идет другой процесс – процесс рождения фотонов, излучаемых в пространство тем интенсивней, чем выше температура газов. Лучистый тепловой поток в системе "газ-стенка" можно определить из выражения
. (15.16)
где Tг и Tс — абсолютные температуры газов и стенки, К;
пр — приведенная степень черноты системы
, (15.17)
где г и с — значения степени черноты газов и стенки.
5.5. Примеры решения задач
Задача 1. Определить потери тепла лучеиспусканием с поверхности стальной трубы диаметром d = 0,070 м и длиной l = 3 м. Труба находится в большом помещении, температура трубы t1 = 227° C, температура стенок помещения t2 = 20° C. Так как площадь поверхности трубы незначительна по сравнению с площадью поверхности стенок помещения S1 << S2, то приведенная степень черноты системы будет равна степени черноты трубы. п = 1 = 0,80. Тогда общие потери тепла трубой составят
Задача 2. Определить потери тепла излучением с поверхности трубы диаметром d = 0,076 м и длиной l = 3 м, если труба находится в кирпичном канале сечением 0,2×0,2 м, температура трубы t1 = 227° C, температура стенок канала t2 = 27° C. Так как площади поверхностей, обменивающихся лучистыми потоками, соизмерима, то определяем приведенную степень черноты системы по уравнению (5.13), определив перед этим 1 = 0,8 и 2 = 0,93, а также F1 = dl = 3,14·0,076·3 = 0,716 м2 и F2 = 4·0,2·3 = 2,4 м2.
.
Тепловой поток, отдаваемый излучением
Вт.
Задача 3. Определить количество теплоты при лучеиспускании от газов на 1 м2 поверхности газохода ДВС. Средняя температура газов Tг = 800 К, средняя температура поверхности газохода Tст = 800 К, степень черноты газов г = 0,22, степень черноты поверхности газохода ст = 0,88. Находим приведенную степень черноты системы стенка-газ:
.
Количество тепла от газов к 1 м2 поверхности газохода
Вт/м2.