Теплообмен излучением. Основные понятия

Излучение – это способ передачи теплоты в пространстве по средствам распространения электромагнитных волн.

Источником распространения электромагнитных волн является колебание заряженных частиц: ионов и электронов в узлах кристаллической решётки.

Помимо этого в металлах существуют свободные электроны, которые являются источником излучения при их торможении возле других заряженных частиц.

Любое тело: жидкое, твёрдое или газообразное, обладающее абсолютной температурой отличной от нуля является источником электромагнитных волн, а значит и теплового излучения, причём интенсивность, то есть количество теплоты, передаваемого излучением пропорционально абсолютной температуре излучающего тела.

Тело может излучать электромагнитную энергию в широком диапазоне длин волн.

Существует следующая классификация излучений:

В идеальном случае	λ, мм
Космическое	< 0,05·10-9
γ — излучение	(0,05÷0,1)·10-9
Рентгеновское	0,1·10-9÷2·10-5
Ультрафиолетовое	2·10-5÷0,4·10-3
Видимое	(0,4÷0,8)·10-3
Тепловое (инфракрасное)	0,8·10-3÷0,2
Радиоволны	0,2 <

Излучение обладает определённой проникающей способностью. Проникающая способность излучения тем выше, чем меньше длина волны.

Твёрдое, жидкое или газообразное тело может обладать сплошным спектром излучения или селективным (выборочным).

Все твёрдые тела с необработанной поверхностью и все жидкие вещества обладают сплошным спектром излучения.

Твёрдые тела с обработанной зеркальной поверхностью, а также газы обладают селективным излучением.

К основным понятиям, описывающим тепловое излучение, относят спектральный и полный поток излучения. Поверхностная плотность излучения и спектральная плотность излучения, угловая спектральная плотность излучения и спектральная плотность излучения, интенсивность излучения (яркость).

Полный поток излучения — это количество энергии, излучаемого поверхностью твёрдого тела по всем направлениям полусферы в единицу времени.

Поток излучения: Q = [Вт]

Спектральный поток излучения — это количество энергии, излучаемое поверхностью по всем направлениям полусферы в единицу времени в определённом узком диапазоне длин волн (λ ÷ λ+dλ).

; ; [Вт/м]

Плотность потока излучения — это количество энергии, передаваемое излучением по всем направлениям полусферы в единицу времени с единицы площади поверхности.

Эта формула применяется в том случае, если излучение распределено по всей излучаемой поверхности равномерно.

– неравномерно.

E = [Вт/м²]

Спектральная плотность излучения — это количество энергии, излучаемое по всем направлениям полусферы с единицы площади поверхности излучаемого тела в единицу времени в узком диапазоне длин волн.

Е_λ = [Вт/м³]

Угловая плотность излучения — это количество энергии, передаваемое излучением в определенном направлении под углом φ к нормали к излучающей поверхности в пределах одного телесного угла в единицу времени с единицы площади излучаемой поверхности.

Спектральная угловая плотность излучения – это количество энергии, излучаемое в направлении по углу ψ к нормали к поверхности, с единицы площади излучающей поверхности в пределах одного телесного угла в определенном узком диапазоне длин волн в единицу времени.

Интенсивность или яркость излучения — это количество энергии, излучаемое в определенном направлении в пределах одного телесного угла с единицы площади поверхности, перпендикулярной этому направлению.

В общем случае интенсивность по различным направлениям может быть различна.

Излучение с рассматриваемой поверхности, которая имеет интенсивность, одинаковую по всем направлениям называют диффузным излучением.

Спектральная интенсивность излучения – это интенсивность излучения, которой обладает излучающее тело в узком диапазоне длин волн.

Любое тело может не только излучать энергию, но и поглощать ее, пропускать через себя, а также отражать.

Для характеристики этих процессов вводят специальные величины.

Если на тело падает поток энергии по средствам излучения, то часть этого потока будет поглощена, часть пропущена через тело и часть отражена.

Отношение части потока энергии, поглощенной телом, к общей величине падающей энергии, называют поглощательной способностью тела или коэффициентом поглощения А.

Е_pad — падающий поток энергии, передаваемый излучением.

Коэффициент А может меняться от 0 до 1.

При А = 0 вся энергия либо отражается, либо пропускается через тело, но не поглощается им.

При А = 1 вся падающая энергия поглощается. Такое тело называют абсолютно черным (а. ч. т.).

Поглощательная способность в различных интервалах длин волн может изменяться, например: в видимом интервале длин волн снег и лед обладают невысокой поглощающей способностью, и поэтому кажутся белыми, при этом суммарный А по всем длинам волн находится от 0,96 до 0,98, т. е. снег и лед можно рассматривать как а. ч. т.

Отношение количества энергии пропущенной телом через себя к количеству падающей энергии называют пропускательной способностью тела или коэффициентом пропускания.

Е_prop — поток пропущенной энергии.

Тело, пропускающее через себя всю падающую энергию, называется абсолютно прозрачным или диатермическим.

У диатермического тела D = 1.

Диатермическим телом может считаться тонкий слой сухого газа при невысоком давлении.

Если D = 0, тело называется абсолютно непрозрачным.

Отношение части энергии, отраженной телом к общему количеству падающей энергии называют отражательной способностью тела, или коэффициентом отражения R.

0 < R < 1

Если R = 1, то отраженная энергия равна падающей энергии.

В этом случае возможно два варианта:

1. Отраженная энергия подчиняется законам геометрической оптики. В этом случае такие тела называют зеркальными.

2. Отраженная энергия рассеивается в окружающем пространстве диффузно (интенсивность по всем направлениям полусферы одинакова). В этом случае тело называется белым.

В силу закона сохранения энергии:

/:Е

- для любого тела.

Серым телом называется тело, у которого поглощательная способность А ниже 1 и принимает приблизительно одинаковое значение по всему диапазону длин волн.

В теплообмене излучением для расчета тепловых потоков между различными телами в рассмотрение вводят еще два дополнительных понятия:

- эффективное излучение;

- результирующее излучение.

Под эффективным излучением подразумевают сумму энергии излученной самим телом и отраженной им.

Е — собственное излучение тела.

Результирующее излучение – это разность между излучением, полученным телом из окружающей среды, и переданным излучением в окружающую среду.

К определению результирующего излучения несколько подходов:

1. Подход Нуссельта — состоит в том, что поверхность, по отношению к которой определяют энергию полученную телом и энергию отданную телом, располагают внутри тела на бесконечно малом удалении от поверхности тела.

В этом случае через поверхность будут проходить два потока. В этом случае:

Для рассматриваемого положения поверхности Е_otd будет равно собственному излучению тела Е_otd = Е, а Е_poluch равно поглощенной энергии.

(1)

2. При другом определении результирующего излучения рассматриваемую поверхность располагают вне тела на бесконечно малом удалении от поверхности тела.

В этом случае отданная энергия излучения равна эффективному излучению, или

Е_otd = Е_ef = Е + Е_otr= Е + R·Е_pad

Полученная энергия равна падающей энергии Е_poluch = Е_pad

(2)

В этих двух случаях бесконечно мало, то следовательно на бесконечно малую величину различаются и результирующие излучения, определяются по формулам (1) и (2). Иначе говоря эти результирующие излучения, определяемые по формулам (1) и (2) можно считать равными — это позволяет установить связь между результирующим и эффективным излучением, для этого из формулы (2) выразим падающее излучение Е_pad подставим в формулу (1)

До сих пор рассматривалось излучение, осуществляемое на поверхности твердого тела. Помимо такого типа излучения (поверхностного) существует еще и объемное излучение, которое имеет место у вещества, занимающего какой-либо объем, к таким веществам относят газы и жидкости. Газ или жидкость могут излучать электромагнитную энергию, а также поглощать ее и рассеивать, при этом все эти процессы осуществляются во всем объеме жидкости или газа и их интенсивность характеризуется не поверхностными, а объемными удельными величинами. К таким величинам относят: объемную плотность интегрального излучения.

Это излучение энергии, создаваемое газом или жидкостью внутри бесконечно малого объема dV, создаваемого по всем направлениям сферы, или в пределах телесного угла величиной 4π.

η = [Вт/м³]

Вводят также объемную плотность спектрального излучения:

,

которая характеризует интенсивность излучения, создаваемого единицей объема газа или жидкости по всем направлениям сферы (4π). В пределах узкого интервала длин волн шириной dλ.

η_λ = [Вт/м⁴]

Объем газа или жидкости не только может создавать собственное излучение, но также может поглощать или рассеивать внешнее излучение. Для характеристики этих процессов в рассмотрение вводят объемный коэффициент поглощения или рассеивания.

Объемный коэффициент поглощения α характеризует отношение энергии поглощенной объемом газа или жидкости к падающей энергии на этот объем.

Процесс рассеивания излучения характеризует объемный коэффициент рассеивания β.

,

где η_ras – объемная интенсивность рассеянного излучения; η_pad – падающее излучение.