ГР 34 ГМ- Ф Основи гідравліки і теплотехніки ТЕМА Променевий теплообмін

 Променевий теплообмін

Абсолютно чорних, білих і прозорих тіл в природі не буває. Близькою до абсолютно чорного тіла є поверхня, яка покрита шаром нафтової сажі (А = 0,90-60,9). Колір тут відіграє не значну роль. Так, біла поверхня відбиває лише видиме проміння, а інфрачервоне проміння вона поглинає так інтенсивно, як і чорне. Повітря в чистому вигляді є прозорим для теплових променей, але при наявності водяних парів і підвищеної концентрації у повітрі газу С0₂ воно стає напівпрозорим. Віконне скло прозоре для світлових променів і не прозоре для теплового і ультрафіолетового проміння. Кварц прозорий для світового і ультрафіолетового проміння, а для інфрачервоних непрозорий, Всі тверді тіла і рідини для теплового випромінювання є непрозорими, тобто являються термічними тілами.

Всі реальні тіла називають сірими, а їх наближення до абсолютно чорних тіл характеризує ступінь чорноти .

Теплопровідність, конвекція і теплове випромінювання відокремлено в чистому вигляді зустрічаються досить рідко. В більшості випадків один вид теплообміну доповнює інший. Так, будь-яке нагріте тіло, яке омивається повітрям, буде зумовлювати теплообмін, який є результатом сукупної дії конвекції, теплопровідності і променевого теплообміну.

Теплота від нагрітого тіла до омиваючого його повітря передається за рахунок їх безпосереднього контакту (теплопровідність і конвекція, а переважає остання). Тепловий потік зумовлений конвективним теплообміном буде становити:

 

                                                                Ф =_К α (_К Т -Т ) S,Вт,_{1 2}                                                                         (5.63)

 

де α_К – коефіцієнт тепловіддачі за рахунок конвекції і

теплопровідності;

Т₁, Т₂ – відповідно температури нагрітого тіла і оточуючого середовища (газу чи рідини);

S – площа тепловіддаючої поверхні.

Тепловий потік, викликаний променевим теплообміном, визначають за формулою:

 

 T1 4  T2 4 

                                    Ф =n εC S0 ₁₀₀_ - _100_{ }_, Вт,                                                            (5.64)

 

де _ – ступінь чорноти, який враховує поглинальну здатність

нагрітої поверхні і оточуючого середовища.

                    ₀                       Bm_{2           4} коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного

                 С =5,67           –

м к

тіла.

В результаті сумарний тепловий потік буде становити:

 

                           Ф=Ф +Ф =К n α (К T -T )S+εC S1             2        0 100T1    4- 100T2 4 , Вт   (5.65)



 

Коефіцієнт тепловіддачі визначають за такими формулами: а) для конвективного теплообміну:

 

Q^к    Bm α =_к    S(T -T )_{1             2} -α_np ^, м₂к                       (5.66)

 

б) для променевого теплообміну:

 

                                                                     (5.67)

 

При нагріванні тіл частина теплової енергії обов’язково перетвориться в променеву. Кількість енергії, яка випромінюється в одиниці поверхні в одиницю часу, називають випромінювальною

здатністю тіла (Е, ^Вт₂ ), величина якої залежить від природи тіла, м

стану поверхні, температури і довжини хвилі випромінювання. Інколи цю характеристику Е називають поверхневою густиною потоку інтегрального випромінювання. Поверхнева густина монохроматичного випромінювання становить:

 

dQ

^E   dS

 

Вона зв’язана з густиною інтегрального випромінювання залежністю:

 

dE

                                                                                           ^E_ ^ d                                 (5.68)

 

Розглянемо основні закони абсолютно чорних тіл.

Закон     Стефана - Больцмана.    Кількість енергії,        що випромінюється із поверхні абсолютно чорного тіла, пропорційна температурі в четвертому ступені:

 

E =₀ δ T ,₀ ^{4 Вт}₂ ,              (5.69) м

де δ =5,67 100  -8 Вт2 4 м к Стефана - Больцмана).	–	константа випромінювання (стала

Для зручності користуються формулою

                                                                                                                                                     E =C_{0                                                                                                                                                                  0}₁₀₀T _⁴, де

_

C =₀ σ₀ 10 =5,67^{8 Вт}_{2 4} , - коефіцієнт випромінювання абсолютно м к

чорного тіла. Тіла випромінюють меншу енергію, чим абсолютно чорне тіло, тому для оцінки ефективності випромінювання вводять

коефіцієнт теплого випромінювання  ^E , який називають ступінь E₀

чорноти.

Тому згадану формулу можна використовувати для сірих тіл:

 

                                                                                                          4                               4

                             E=C0ε100T  =C100T  ,                                                                                        (5.70)



 

де C C_{0 ε} – випромінювальна здатність сірого тіла;

 – залежить від ваду матеріалу і знаходиться в межах 0<ε<1.

Для теплообміну практичне значення має не лише здатність випромінювати, але поглинати електромагнітні хвилі.

Для захисту від перегріву деяких елементів енергетичного обладнання необхідно зменшити променевий теплообмін. Для цього встановлюють перегородки, які називають екранами. Їх виготовляють із жерсті, фольги і т.п. та встановлюють на шляху потоку.

Можна досягти ε=0,05. Із зменшенням ступеню чорноти є екранів (дзеркальна поверхня) зростає ефективність їх дії. При встановленні на шляху потоку одного екрану теплообмін випромінювання зменшується в 2 рази, при двох екранах – в три рази. Це без врахування термічного опору самих екранів.

При наявності одного екрану між стінками температуру екранних поверхонь визначають за формулою:

 

 

 

Екрани застосовують для підвищення термічного опору обмежуючих конструкцій споруд і транспортних засобів, а також при ізоляції теплових апаратів і приладів.

 

 

Рис. 5.15. Променевий теплообмін між двома тілами через

екран

Гази випромінюють і поглинають тільки в певному діапазоні, тобто мають селективний спектр. Це на відміну від твердих тіл пояснюється тим, що гази випромінюють вільними молекулами. Енергетичні рівні стану електронів в молекулах газів мають для кожного із них свої значення. Одно- і двохатомні гази майже повністю пропускають теплове випромінювання, а трьох- і багатоатомні гази поглинають і випромінюють (Н₂О; СО₂), яке має селективний характер, тобто спектр не суцільний, а перервний.