15.2 Теплообмен излучением в системе тел с плоскопараллельными поверхностями

Излучающая система без экранов. Рассмотрим систему тел, имеющих большие размеры по сравнению с расстоянием между ними. Поверхности изотермические, причем Т₁>Т₂. Определить результирующий тепловой поток излучения.

По методу эффективных потоков излучения

. (4.1)

Эффективные потоки для каждой поверхности выразим через результирующий и собственные

,

.

При стационарном тепловом режиме . Численно это равенство объясняется, что сколько теплоты отдает первое тело, столько теплоты воспринимается вторым.

По закону Стефана-Больцмана

; .

Подставляя вышеизложенные выражения в уравнение (4.1), получим

,

где А_пр – представляет собой приведенный коэффициент поглощения,

.

С учетом этого, .

Обозначим - приведенная излучательная способность, Вт/(м²К⁴), которая характеризует интенсивность результирующего излучения для системы тел. Количественно она равна потоку результирующего излучения, отнесенному к единице поверхности рассматриваемого тела, к единице времени и к единице перепада температур в четвертых степенях между этим телом и окружающими его телами.

Полный результирующий поток

.

Теплообмен излучением при наличии экранов. Экраны устанавливаются ортогонально к направлению потока излучения и выполняются из материалов с большой отражательной способностью. В результате переизлучения результирующий тепловой поток уменьшается в соответствии с количеством установленных экранов и их оптическими с войствами.

При установке одного экрана рассматривается система, состоящая из совокупности двух систем плоскопараллельных поверхностей, где

,

.

Если принять А_1,э=А_э,2=А_1,2, кроме того для стационарного процесса , то

.

Используя найденное значение Т_э, получаем плотность потока результирующего излучения в системе при наличии одного экрана

.

Из уравнения следует, что при установке 1 экрана тепловой поток уменьшается в 2 раза.

Если рассматривать систему при наличии n экранов, то

.

Видно, что плотность потока результирующего излучения при использовании n экранов уменьшается в (n+1) раз, т.е. каждый последующий экран работает менее эффективно. Кроме того, расстояние экранов от нагретой поверхности на тепловой поток влияния не оказывает.

15.3 Излучательная способность твердых тел и методы ее определения

Излучательная способность является сложной функцией, зависящей от природы излучающего тела, его температуры, состояния поверхности, а для металлов от степени окисления поверхности. Для чистых металлов с полированными поверхностями излучательная способность имеет низкие значения. Для чистых металлов излучательная способность определяется теоретическим путем

,

- удельное сопротивление при 0^оС , Ом∙мм²/м.

Опытное исследование излучательной способности твердых тел проводится следующими методами: радиационным, калориметрическим, методом регулярного теплового режима, методом непрерывного нагревания с постоянной скоростью.

В этих методах перенос теплоты за счет теплопроводности и конвекции должен быть пренебрежимо мал по сравнению с излучением.

Радиационный метод. Радиационный метод является относительным методом. Он основан на сравнении излучения исследуемого тела с излучением абсолютно черного тела или другого тела с известным коэффициентом излучения.

Результирующий поток излучения определяется по термоЭДС дифференциальной термопары, которая измеряется гальванометром. Один из спаев термопары воспринимает излучение, падающее с исследуемого тела, другой – с поверхности эталонного тела.

Излучательная способность исследуемого тела с плоской поверхностью вычисляется по соотношению

.

Из этого соотношения определяется с:

,

где - постоянная прибора, которая определяется из предварительных тарировочных опытов, в которых вместо исследуемого тела используется эталон

.

В этих формулах и – отклонения гальванометра в опытах с исследуемым телом и эталоном; T₁, T_э – их абсолютные температуры; T₂ – температура приемника излучения.

Калориметрический метод. Этот метод исследования основан на непосредственном измерении потока результирующего излучения. Поэтому он относится к абсолютным методам. Излучательная способность определяется также

.

Форма исследуемого образца может быть различна. Необходимо только, чтобы поверхность системы, в которую помещается образец, была значительно больше поверхности самого образца или имела излучательную способность абсолютно черного тела.

Метод регулярного теплового режима. В основу определения излучательной способности этого метода положена зависимость для и . Тогда коэффициент теплоотдачи

,

где m – темп охлаждения, 1/с,

С – полная теплоёмкость исследуемого образца, кДж/(кг·К),

F – площадь его поверхности, м².

Если образец участвует лишь в лучистом теплообмене, то излучательная способность

,

где - температурный фактор, К³

.

Уравнение показывает, что опыты сводятся к определению темпа охлаждения образца для регулярного теплового режима.

Метод нагревания тела с постоянной скоростью. Этот метод также относится к регулярному режиму. Но в отличии от предыдущего метода, в котором охлаждение образца проводится при постоянной температуре окружающей среды, в рассматриваемом методе она меняется во времени с постоянной скоростью. Опыты проводятся при .

В небольшом зазоре между толстостенным кожухом и образцом создаётся низкое давление среды, в которой перенос теплоты за счет конвекции и теплопроводности отсутствует. Система нагревается с постоянной скоростью.

Излучательная способность определяется также из зависимости, согласно закону Стефана-Больцмана

.

Поток результирующего излучения определяется по уравнению теплового баланса

.

Тогда приведенную излучательную способность для системы «образец – кожух» можно найти

.

Затем определяется искомое значение излучательной способности образца с₁ при заданной излучательной способности блока.