Тепловое излучение

Электромагнитное тепловое излучение – в ИК-части спектра 0.8-40 мк (видимый свет 0.4-0.8 мк)

Тепловое излучение существует при любой температуре (Т > 0К), но необходимо учитывать на практике при t 600 град.С.

Лучистая энергия, как и свет, распространяется в однородной и изотропной среде прямолинейно.

Q – общая энергия падающих на тело лучей.

Q_A – энергия, поглощенная телом.

Q_R - энергия, отражаемая от поверхности тела.

Q_D – часть проходящей энергии.

Q=Q_A+Q_R+ Q_D

Или

– A-поглощающая способность;

- R-отражающая способность;

– D-пропускающая способность.

Или А+R+D=1

Если А=1; R=D=0 – вся энергия поглощается - абсолютно черное тело.

R=1; D=A=0 – вся энергия отражается – абсолютно белое тело (металлы).

D=1; R=A=0 – вся энергия проходит – абсолютно прозрачное тело (диатермичное).

Это идеализированные случаи, все тела в природе являются серыми.

Большинство тв.тел и жидкостей практически нетеплопрозрачны: D 0 и A+R=1.

Почти все газы (исключая многоатомные) – прозрачны (диатермичны).

Один из основных законов теплового излучения – закон Стефана – Больцмана.

Лучеиспускательная способность – количество тепла, излучаемого единицей поверхности тела в единицу времени.

Это интегральная характеристика, учитывающая энергию излучения всех длин волн (0≤ ≤∞).

– закон Стефана-Больцмана

Где: – лучеиспускательная способность абсолютно черного тела;

– константа излучения, лучеиспускания абсолютно черного тела (4.87*10^-8 ккал ⁰К⁴/м² час или 5.66*10^-8 Дж/м² С⁰ К⁴).

Лучеиспускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры его поверхности.

Для технических расчетов более удобно:

Где: =4.87*10^-8 ккал ⁰К⁴/м² час=5.66*10^-8 Дж/м² С⁰ К^4;

Для серых тел закон записывается в виде:

,

Где: C- коэффициент излучения серого тела.

В справочниках → степень черноты тела: зависит от природы материала, его окраски, температуры, состояния поверхности. – коэффициент излучения абсолютно черного тела;

Закон Кирхгофа устанавливает соотношения между излучательной и поглощательной способностями тел.

Пусть поверхности тел параллельны

Т_сер>Т₀

Часть Е₀ А→ поглощается

Часть Е₀(1-А) → отражается на абсолютно черное тело и полностью поглощается им.

Количество тепла, полученное абсолютно черным телом равно .

При выравнивании температур наступит тепловое равновесие q=0, T=T₀, E-E₀A=0.

– закон Кирхгофа.

Для ряда взаимно параллельных тел:

Отношение лучеиспускательной способности тела к его лучеиспускательной способности при той же температуре является величиной постоянной, равной лучеиспускательной способности абсолютно черного тела.

Шероховатые поверхности лучше поглощают тепло вследствие многократного отрапления и обладают большей лучеиспускательной способностью, чем гладкие.

=А→ относительная излучательная способность равна поглощательной способности коэффициента поглощения, степени черноты.

Лучеиспускательная способность реального тела всегда меньше лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре.

Взаимное излучение двух твердых тел.

Случай, важный для практики – обмен энергией взаимный. В общем виде: [ ]FY

– количество тепла, передаваемого от 1 к 2.

F=F₁=F₂ – суммарное излучение поверхности тел.

– коэффициент взаимного излучения.

Y –средний угловой коэффициент, зависящий от формы и размера поверхностей, взаимного расположения и расстояния (в справочниках).

Для плоских тел, расположенных параллельно

Где =4.96 – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела.

Для полностью охватываемого тела

где – поверхность охватываемого тела;

– поверхность охватывающего тела.

Лучеиспускание газов

Особенности испускания газов:

1. Одноатомные и двухатомные газы (H₂;N₂;O₂) диатермичны, т.е. прозрачны для тепловых лучей. Многоатомные газы обладают способностью испускать и поглощать лучистую энергию: CO₂; H₂O; NH₃; SO2 и др.

2. В отличие от твердых тел и жидкостей поглощаются и излучаются в интервале от 0 до ∞, газы излучают и поглощают избирательно, только в определенных интервалах длин волн.

CO₂; H₂O→ 3 полосы (линейчатый спектр поглощения и испускания)

2. Газы излучают и поглощают не поверхностным слоем, а объемом, поэтому их излучение зависит от толщины слоя и содержания в смеси излучаемого газа.

4. , однако считают, что E T⁴ и вносят коррективы.

– толщина слоя;

– парц. давление 3=х и многоатомных газов.

Для практики наибольший интерес представляет излучение водяными парами и CO₂, т.к. они входят в состав топочных газов.

Конвективный теплообмен или теплоотдача – процесс распространения тепла в жидкости (газе) одновременно конвекцией и теплопроводностью.

Теплопроводность – ранее рассмотрена.

Конвекция - движение макроскопических объемов. Сильно зависит от гидродинамических условий движения жидкости. Теплопроводность – не зависит.

– эпюра скоростей;

– толщина ламинарного пограничного слоя;

t – эпюра температур;

-толщина теплового пограничного слоя.

Механизм переноса тепла в ядре характеризуется интенсивным перемешиванием за счет турбулентных пульсаций, за счет чего температура в ядре быстро выравнивается до какого-то среднего значения t. По мере приближения к стенке интенсивность теплоотдачи падает, из-за наличия теплового пограничного слоя, в котором решающую роль приобретает теплопроводность жидкости или газа.

Обычно < .

Лимитирующей стадией является теплопроводность жидкости или газа.

Для интенсификации теплоотдачи необходимо уменьшать толщину пограничного слоя в основном за счет увеличения интенсивности перемешивания.

Основным законом теплоотдачи является закон Ньютона.

, если > ;

, если > ;

Количество тепла , переданного от стенки к окружающей среде или наоборот, пропорционально разности температур стенки и жидкости, поверхности обмена и времени .

Для установившихся процессов температуры и обычно не изменяются вдоль поверхности теплообмена и во времени, тогда для всего аппарата F

– коэффициент скорости теплоотдачи.

[ ]=[ ]=[ ]=1.163 [ ]

Он показывает, какое количество тепла отдается от 1 м² теплообменной поверхности в окружающую среду или наоборот в единицу времени при разности температур =1 град.

Ввиду сложного характера потоков при конвективном переносе, особенно в условиях турбулентного движения, величина является сложной функцией многих переменных:

– кинетическая константа.

Из-за сложной зависимости невозможно получить расчетное значение , пригодное для всех случаев теплоотдачи. Поэтому рассчитывается из критериальных уравнений, полученных путем обобщения опытных данных методами теории подобия (для типовых случаев теплоотдачи).