2.6.2 Теплообмен излучения в системе тел

Если два тела расположены параллельно друг другу, и температура первого тела больше температуры второго тела , тогда результирующий тепловой полок q_1,2 , будет равен разнице результирующих тепловых потоков, Вт/м²:

;

.

С учетом того, что

;

;

и ,

результирующий тепловой поток будет равен, Вт/м²:

,

где - приведенная степень черноты системы теплообмена, которая зависит от расположения тел в пространстве и свойств их поверхностей.

Для данной системы тел с параллельными поверхностями приведенная степень черноты системы имеет вид

.

Приведенный коэффициент излучения для системы тел, Вт/(м²·К⁴):

.

Полный тепловой поток излучения с поверхности F₁ может быть определен по формуле, Вт:

.

.

Для более сложной системы теплообмена, когда не весь тепловой поток с поверхности первого тела попадает на поверхность второго тела, полный тепловой поток определяется по формуле

,

где - коэффициент облученности, который учитывает долю потока излучения первого тела, которое воспринимается вторым телом. Это геометрический фактор, он зависит от формы, размеров, и расположения тел.

При учете излучения участвующих в теплообмене газов в приведенную степень черноты входит степень черноты газов , которая чаще всего определяется степенью черноты трехатомных газов и ,

.

2.6.3 Использование экранов для защиты от теплового излучения

Рассмотрим систему излучения, состоящую из двух тел, расположенных параллельно друг другу, между которыми расположен экран из твердого непрозрачного материала. Примем для простоты, что степени черноты двух тел и экрана одинаковы и равны 0,8:

.

При условии, что тепловой поток от первого тела будет падать на экран и от экрана на второе тело и они будут равны половине теплового потока от первого тела на второе без экрана:

.

Таким образом, один такой экран уменьшает тепловой поток в два раза. В качестве экранов часто используют полированные металлические пластины со степенью черноты . Если степень черноты экрана , то тепловой поток, достигающий второе тело, значительно уменьшается:

.

На практике наиболее эффективны многослойные экраны, в которых в пространстве между перегородками откачен воздух (многослойная вакуумная изоляция).

2.7 Сложный теплообмен

Деление на виды теплообмена условно. Оно удобно для выполнения расчетов. В природе несколько видов теплообмена существуют одновременно. Часто теплообмен между твердой поверхностью и газообразной или жидкой средой осуществляется за счет конвективного и лучистого теплообмена, и такой случай теплообмена называется сложным.

При сложном теплообмене справедливо следующее представление плотности суммарного теплового потока q, как суммы тепловых потоков, передаваемых конвекцией q_к и тепловым излучением q_л:

, Вт/м².

Интенсивность теплового потока в этом случае принято характеризовать суммарным коэффициентом теплоотдачи , который состоит из конвективной и лучистой составляющей:

.

Тепловой поток, передаваемый конвекцией q_к, пропорционален разности температур между температурой твердой стенки t_ст и температурой греющей или нагреваемой жидкости t_ж и определяется с использованием закона Ньютона-Рихмана по формуле, Вт/м²:

.

Конвективный коэффициент теплоотдачи зависит от многих параметров и может быть определен из числа подобия Нуссельта

.

Число подобия Нуссельта характеризует интенсивность теплообмена на поверхности и зависит от режима движения. Например, для естественной конвекции определяющими будут числа Грасгофа и Прандтля

,

а для вынужденной конвекции определяющими будут числа Рейнольдса и Прандтля

.

Тепловой поток, передаваемый за счет теплового излучения q_л, может быть рассчитан с использованием закона Стефана-Больцмана

,

а лучистый коэффициент теплоотдачи между стенкой и жидкостью при заданных температурах определяется соотношениями

,

или

.

Следовательно, тепловой поток, передаваемый за счет теплового излучения q_л, с учетом лучистого коэффициента теплоотдачи может быть рассчитан по формуле

.

При сложном теплообмене вклад конвективной и лучистой составляющей может существенно отличаться. Например, при теплоотдаче от нагревательных приборов в системах отопления помещений тепловые потоки, передаваемые за счет конвекции и теплового излучения сопоставимы, т.е.

.

При нагреве металла в промышленных печах, где греющие газы имеют температуру около 1000  С, значительно преобладает теплообмен излучением, т.е.

.

В капельных жидкостях, таких как вода или масло, нагрев или охлаждение осуществляется только за счет конвективного теплообмена.