8.5. Экраны для защиты от излучения

В различных областях техники довольно часто встречаются случаи, когда требуется уменьшить передачу теплоты излучением. Например, нужно оградить рабочих от действия тепловых лучей в цехах, где имеются поверхности с высокими температурами. В других случаях необходимо оградить деревянные части зданий от энергии излучения в целях предотвращения воспламенения; следует защищать от энергии излучения термометры, так как в противном случае они дают неверные показания. Поэтому всегда, когда необходимо уменьшить передачу теплоты излучением прибегают к установке экранов. Обычно экран представляет собой тонкий металлический лист с большой отражательной способностью. Температуры обеих поверхностей экрана можно считать одинаковыми.

Рассмотрим действие экрана между двумя плоскими безграничными параллельными поверхностями, причем передачей теплоты конвекцией будем пренебрегать. Поверхности стенок и экрана считаем одинаковыми. Температуры стенок Т₁ и Т₂ поддерживаются постоянными, причем T₁ > Т₂. Допускаем, что коэффициенты излучения стенок и экрана равны между собой. Тогда приведенные коэффициенты излучения между поверхностями без экрана, между первой поверхностью и экраном, экраном и второй поверхностью равны между собой.

Тепловой поток, передаваемый от первой поверхности ко второй (без экрана), определяем из уравнения

Тепловой поток, передаваемый от первой поверхности к экрану, находим по формуле

а от экрана ко второй поверхности — по уравнению

При установившемся тепловом состоянии q_1э=q_2э, поэтому

откуда

Подставляя полученную температуру экрана в любое из уравнений, получаем уравнение для определения лучистого потока между пластинами при наличии экрана:

(8.39)

Сравнивая первое и последнее уравнения, находим, что установка одного экрана при принятых условиях уменьшает теплоотдачу излучением в два раза:

(8.40)

Можно доказать, что установка двух экранов уменьшает теплоотдачу втрое, установка трех экранов уменьшает теплоотдачу вчетверо и т. д. Значительный эффект уменьшения теплообмена излучением получается при применении экрана из полированного металла, тогда

(8.41)

где С'_пр — приведенный коэффициент излучения между поверхностью и экраном; С_пр — приведенный коэффициент излучения между поверхностями.

8.6. Особенности излучения газов

Одноатомные и двухатомные газы не обладают за­метной излучательной способностью и являются практически прозрачными (диатермичными) для излучения. Трехатомные газы (Н₂О, СО₂ и др.) обладают значи­тельной излучательной и поглощательной способностью, которая носит резко выраженный селективный (избирательный) 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 (или излучающих) молекул. Концентрацию молекул удобно оценить парциальным давлением газа р. Так как толщина газового слоя и парциальное давление газа в одинаковой мере влияют на число молекул, то степень черноты газа и его поглощательную способность можно выбирать в зависимости от параметра pl, где l — сред­няя длина луча в пределах газового слоя, которая может быть определена из формулы l = 3,6V/F (здесь V — га­зовый объем; F — площадь поверхности оболочки).

Наиболее хорошо изучен теплообмен излучением для Н₂О и СО₂, которые содержатся в продуктах сгорания органических топлив. Плотность их собственного ин­тегрального излучения по экспериментальным данным определяется из выражений:

(8.42)

(8.43)

Из уравнений (8.42) и (8.43) видно, что парциаль­ное давление р и толщина слоя l оказывают большее влияние на излучение Н₂О, чем на излучение СО₂. Поэтому при малых толщинах слоя преобладает излучение СО₂, а при больших — излучение Н₂О.

Рис. 8.10. Зависимость степени черноты СО₂ от температуры и эффективной длинны луча

В различном теплотехническом оборудовании (котельные установки, промышленные печи и др.) поток дымовых газов окружен оболочкой (стенками газоходов, поверхностями нагрева). Для расчёта лучистого теплообмена между газом и стенками в этом случае применяют следующую формулу

(8.44)

где – эффективная степень черноты стенки канала, учитывающая излучение газов; ε_г – степень черноты газовой смеси, содержащей СО₂ и Н₂О, определяется по формуле

ε_г = ε_СО2 + β · ε_Н2О; (8.45)

β – поправочный коэффициент; А_г – поглощательная способность газов при температуре стенки, определяется по формуле

(8.46)

Т_г – температура газов, °К; Т_ст – температура тепловоспринимающей стенки, °К; ε_СО2, ε_Н2О, и ε’_СО2, ε’_Н2О – степень черноты углекислого газа и водяного пара при температуре газов Т_г и стенки Т_ст соответственно.

Величины ε_СО2 и ε’_СО2 определяют по графику (рис. 8.10). Аналогичный график применяют и для определения ε_Н2О и ε’_Н2О.