Контрольні питання

1.Що таке конвекційний теплообмін?

2. Механізм передачі тепла при конвекційному теплообміні.

3. Види конвекційного теплообміну.

4. Основні закони теорії подібності.

5. Основні критерії подібності, що використовують в теплотехніці.

6.Пояснить методику визначення коефіцієнтів тепловіддачі.

Променевий теплообмін

Променевим теплообміном називають процес передачі теплоти від одного тіла до іншого у формі променевої енергії електромагнітного випромінювання. Теплове випромінювання — складний процес, зв'язаний з тим що, принаймні, двічі відбувається перетворення енергії: спочатку перехід теплової енергії у випромінювання електромагнітних хвиль (емісія), потім рух хвиль (фотонів) і, нарешті, поглинання електромагнітних коливань поглинаючим середовищем або тілом — ще одне перетворення енергії. У теплотехніці в умовах високих температур теплообмін випромінюванням має першорядне значення.

Будь-яке тіло, температура якого відмінна від абсолютного нуля, випромінює електромагнітні хвилі. Їхню енергію можна поглинути, відбити, а також пропустити через себе будь-яке інше тіло. У свою чергу, це тіло також випромінює енергію, що разом з відбитою й пропущеною енергією попадає на навколишні тіла (у тому числі й на перше тіло) і знову поглинається, відбивається ними і так в подальшому. Із всіх електромагнітних променів найбільшою тепловою дією володіють інфрачервоні й видимі промені з довжиною хвилі 0,28-40 мкм. Ці промені називають тепловими.

У результаті поглинання й випромінювання тілами променевої енергії відбувається теплообмін між ними.

Кількість теплоти, що поглинається тілом у результаті променевого теплообміну, дорівнює різниці між енергією, що падає на нього, і енергією, що випромінює саме тіло. Така різниця відмінна від нуля, якщо температура тіл, що беруть участь у взаємному обміні променевою енергією, різна. Якщо температура тіл однакова, то вся система перебуває в стані динамічно - тепловій рівновазі. Але й у цьому випадку тіла як і раніше випромінюють і поглинають променеву енергію.

Якщо на тіло в одиницю часу падає Q₀ енергії (рис.3.9), Q_R відбивається, Q_D проходить через нього, Q_A поглинається їм, то

Q_A +Q_D +Q_R =Q₀ ; або A+R+D=1 (3.42)

де — поглинаюча здатність тіла; = R — відбивна здатність тіла; = D — проникна здатність тіла.

Рис.3.9. Розподіл променевої енергії, що падає на плоске тіло

Якщо А=1, то R=D=0, тобто вся падаюча енергія повністю поглинається. У цьому випадку говорять, що тіло є абсолютно чорним. Якщо R = 1,то А=D=0 і кут падіння променів дорівнює куту відбиття. У цьому випадку тіло абсолютно дзеркально, а якщо відбиття неспрямоване (рівномірне в усіх напрямках) - абсолютно біле. Якщо D = 1, то А=R=0 і тіло абсолютно прозоре. У природі немає ні абсолютно чорних, ні абсолютно білих, ні абсолютно прозорих тел. Реальні тіла можуть лише якоюсь мірою наблизитися до одного з таких видів тіл.

Тіло яке має А=1 називають абсолютно чорним. Це ідеальна модель поверхні яка поглинає все випромінювання будь якої довжини хвилі і будь якого напрямку.

Відзначимо, що в випадку термодинамічної рівноваги поверхня (тіло) згідно першого закону термодинаміки повинна випромінювати енергії стільки, стільки ж поглинає. Це означає, що оскільки абсолютно чорне тіло поглинає більше за всі інші, то і випромінює воно також найбільшу кількість енергії при тій самій температурі. Таким чином абсолютно чорне тіло – це модель ідеальний поглинач і випромінювач теплової енергії. Модель абсолютно чорного тіла використовують для співставлення радіаційних характеристик реальних тіл.

Основні закони теплообміну випромінюванням

Використання поняття абсолютно чорного тіла, на основі законів термодинаміки та квантової теорії випромінювання були отримані і підтверджені дослідами основні закони променевого теплообміну.

Закон Планка

Цей закон встановлює зв'язок між густиною випромінювання (інтегральної за всіма напрямками від поверхні) при певній температурі Т[К]; довжини хвилі [м] електромагнітного випромінювання. Енергію, випромінювану одиницею поверхні тіла в одиницю часу, називають його випромінювальною здатністю. Одиниця випромінювальної здатності Вт/м².

(3.43)

де с_1, с₂- сталі закону Планка (с₁=0,59544·10^-6Вт·м², с₂=1,4388·10^-2м·К).

Аналізуючи отримані залежності (рис.3.10) показує, що вони мають помітний максимум, який зміщується в бік збільшення довжини хвилі при зменшенні температури.

З малюнку видно, що в випромінюванні Сонце(Т=6000К) 36,7% енергії припадає на видиму частину спектра, при температурах характерних для умов Землі ця частка незначна (близько 0,02%) і теплообмін здійснюється випромінюванням інфрачервоної частки спектра.

Закон Віна (1893р), встановлює зв'язок між довжиною хвилі, яка відповідає максимуму випромінювання та температурою:

(3.44)

довжина хвилі λ, нм

Рис.3.10. Спектральна густина випромінювання абсолютно-чорного тіла:

Закон Стефана-Больцмана (1879р-1884р) встановлює зв'язок між інтегральним випромінюванням абсолютно чорного тіла (сумарним по довжині хвилі) та температурного випромінювача

(3.45)

де σ₀ - постійна Стефана-Больцмана (σ₀ =5,67·10^-8 Вт/м²К⁴).

З метою спрощення арифметичних розрахунків цей закон використовують у такому вигляді

, (3.46)

в цьому випадку приймають 5,67Вт/м²К⁴.

Випромінювання реального тіла завжди менше ніж абсолютно чорного. Відношення густини випромінювання реального тіла до випромінювання абсолютно чорного тіла при однакових температурах називають степеню чорноти

(3.47)

Тіла для яких степінь чорноти можливо вважати постійною за довжиною хвилі називають сірими тілами. У інженерній практиці частіше стикаються з сірими тілами(тіла які мають окісну площину або шорстку поверхню). Селективні властивості мають поліровані метали, скло, поліотеленові та інші прозорі покриття та гази(рис.3.11). Використання тіл та газів, що мають селективні властивості, дозволяє створювати пристрої для використання сонячної енергії.

Рис.3.11. Спектральна степінь чорноти окремих тіл:

абсолютне чорне тіло(1), сіре тіло із степеню чорноти 0,8(2), окислена маловуглецева сталь(3), поліроване залізо(4), алюміній із тонкою окисною плівкою(5), селективні матеріали: оксид кремнію на алюмінії(6), віконне скло(7).

Наприклад використання скла дозволяє ефективно пропускати сонячне випромінювання, але інфрачервоне випромінювання майже не пропускає, таким чином створюється «пастка» для сонячних променів. Цей ефект отримав назву - «парниковий ефект». Аналогічні явище спостерігається в атмосфері, так як гази, що входять до її складу, також мають селективні властивості.

Таким чином, використовується поняття степінь чорноти, можливість визначити випромінювання реального тіла

; Вт/м² (3.48)

інтегральне випромінювання

. Вт/м² (3.49)

Для моделі сірого тіла

або Вт/м² (3.50)

Закон Кіргофа встановлює зв'язок між поглинаючою здатністю тіла та його степенем чорноти. Так як, ми показали раніше, що в умовах термодинамічної рівноваги поглинути випромінювання та власне – рівні, то рівні і коефіцієнти поглинання та степінь чорноти. В загальному випадку

(3.51)

для сірого тіла

(52)