Использование экранов для защиты от из­лучения.

Для защиты от перегрева некоторых элементов теплотехнического оборудования требуется умень­шить лучистый теплообмен. В этом случае между излучателем и обогреваемым элементом ставят перегородки, называемые экранами.

Рассмотрим систему тел, между которыми установлен экран. Лучшую защиту второго тела от излучения первого обеспечит; есте­ственно, абсолютно белый экран, полностью отражающий все па­дающее на него излучение. Реально это можно сделать применив эк­ран из полированных металлических пластин со степенью черноты ε_э = 0,05...0,15. В этом случае часть энергии, испускаемой первым те­лом, будет отражаться, а часть поглощаться экраном. В стационарном режиме вся поглощенная экраном энергия будет переизлучаться им на второе тело. В результате мы получим процесс передачи теплоты от первого тела второму через экран. Оценим роль экрана, исключив из рассмотрения конвекцию и теплопроводность. Примем, что ε₁=ε₂=ε₃=ε и T₁>T₂. Термическое сопротивление тонкостенного экра­на практически равно нулю, так что обе его поверхности имеют оди­наковую температуру Т_э.

Приведенные коэффициенты теплового излучения систем первое тело - экран и экран - второе тело одинаковы и равны:

От более горячей пластины экрану теплота передается в количе­стве:

,

а от экрана к более холодной поверхности - в количестве:

В стационарном режиме =, т.е.

Подставляя полученное выражение в уравнение для плотности теплового потока получим:

Это и есть тепловой поток q_1,2 передаваемый от первой пласти­ны ко второй при наличии экрана.

Без экрана.

Из полученных выражений следует q^э_1,2=0,5q_1,2, т.е. установка одного экрана при одинаковых коэффициентах теплового излучения ε уменьшает поток излучения вдвое.

Излучение газов. Различные газы обладают различной способ­ностью излучать и поглощать энергию. Одноатомные и двухатомные газы с симметричными молекулами (кислород, азот, и др.) практиче­ски прозрачны для теплового излучения. Значительной способностью излучать и поглощать энергию излучения обладают многоатомные газы: диоксид углерода СО₂ и серы SO₂, водяной пар Н₂О и др. Наи­больший интерес представляют сведения об излучении углекислого газа и водяного пара, образующихся при сгорании топлив. Интенсив­ностью их излучения в основном определяется теплообмен раскален­ных газообразных продуктов сгорания с обогреваемыми поверхно­стями в топках и печах.

Газы являются селективными излучателями. Участки спектра, в которых газ излучает и поглощает энергию, называются полосами излучения (поглощения).

CO2		H2О
λ мкм	∆λ мкм	λ мкм	∆λ мкм
2 – 3	0,6	2,2 – 3	0,8
4 – 4,8	0,8	4,8 – 8,5	3,7
12,5 – 16,5	4	12 – 30	18

Из таблицы видно, что в световой части СО₂ и Н₂О не излучают и не поглощают. Вообще в коротковолновой части спектра газы по­глощают и излучают хуже, чем в длинноволновой. Поэтому для ко­ротковолнового излучения Солнца (видимый свет) атмосфера Земли является практически прозрачной, в то время как длинноволновое тепловое излучение Земли в большей степени улавливается ею. Этим обусловлен парниковый эффект влияния атмосферы на возможное потепление климата при увеличении в ней СО₂ вследствие деятель­ности человека.

Плотность теплового потока излучения от газа к стенке опреде­ляется по формуле:

Пример. Рассчитать тепловой поток излучением от стальной трубы с наружным диаметром 0,1 м и длиной трубы 10 м, используе­мой для отопления гаража с температурой стен 15ºС. Температура стенки трубы 85ºС.

Учитывая, что площадь трубы много меньше площади стен из выражения:

получим ε_пр=ε₁. Для окисленной стали (заржавевшей!) согласно справочникам ε = 0,8. Тогда используя выражение: