Общие сведения о теплообмене излучением

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ,

ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ

СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

УРАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ

 

 

Кафедра физики и теплообмена

 

 

Дисциплина:

ТЕПЛОТЕХНИКА

 

 

Л Е К Ц И Я

 

ТЕМА 18: ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

 

 

Автор:

д.ф.-м.н., профессор П.В. Скрипов

 

 

Екатеринбург 2006

Цели лекции:

 

Учебные: Дать представление о лучистой энергии, теплообмене излучением, экранах для защиты от лучистой энергии и их практическом применении.

 

Воспитательные: Воспитывать стремление к углубленному изучению предмета; прививать убежденность в практической значимости получаемых в лекционном курсе знаний.

 

Развивающие: Развивать способность творчески воспринимать и конспектировать предоставляемый материал; развивать навыки самостоятельной аналитической работы, умение выделять главное, проводить сопоставление и обобщение.

 

Метод проведения: лекция

Время занятия: 160 минут

Место проведения: аудитория

Материальное обеспечение: раздаточный материал с представлением основных соотношений и графиков

 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Теплотехника: Учебник для вузов / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт и др.; под ред. А.П. Баскакова. 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1991. 224 с.

2. Техническая термодинамика: Учебное пособие / В.Н.Королёв, Е.М.Толмачёв. Екатеринбург: УГТУ, 2001. 180 с.

 

ПЛАН ЛЕКЦИИ:

1. Введение. Общие сведения о теплообмене излучением.

2. Основной закон поглощения.

3. Закон Планка.

4. Закон Стефана-Больцмана.

5. Закон Кирхгофа.

6. Теплообмен излучением между твердыми телами. Параллельные пластины.

7. Одно тело внутри другого.

8. Экраны для защиты от лучистой энергии и их практическое применение.

Общие сведения о теплообмене излучением.

 

Лучистая энергия возникает за счет энергии других видов в ре­зультате сложных молекулярных и внутриатомных процессов. Природа всех лучей одинакова. Они представляют собой распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны. Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела. Количество лучистой энергии в основном зависит от физических свойств и температуры излучающего тела. Электромагнитные волны различаются между собой или длиной волны, или числом колебаний в секунду. Если обозначить длину волны через λ, а число колебаний через N, то для лучей всех видов скорость w в абсолютном вакууме будет равна w = λ · N = 300 000 км/сек.

В зависимости от длины волны λ лучи обладают различными свой­ствами. Наименьшей длиной волны обладают космические лучи λ = 0,1 Ǻ ÷ 10 Ǻ (где Ǻ — ангстрем, единица длины, 1 Ǻ = 10^-7 мм). Гамма-лучи, испускаемые радиоактивными веществами, имеют длину волны до 10 Ǻ; лучи Рентгена - λ = 10 ÷ 200 Ǻ; ультрафиолетовые лучи - λ = 200 Ǻ ÷ 0,4 мк (мк - микрон, 1 мк - 0,001 мм); световые лучи - λ = 0,4 ÷ 0,8 мк; инфракрасные, или тепловые, лучи - λ = 0,8 ÷ 400 мк; радио или электромагнитные лучи - λ > 400 мк. Из всех лучей наибольший интерес для теплопередачи представляют тепловые лучи с λ = 0,8 ÷ 40 мк.

Лучеиспускание свойственно всем телам, и каждое из них излу­чает и поглощает энергию непрерывно, если температура его не равна 0 К. При одинаковых или различных температурах между телами, расположенными произвольно в пространстве, существует непрерывный лучистый теплообмен.

При температурном равновесии тел количество отдаваемой лу­чистой энергии будет равно количеству поглощаемой лучистой энер­гии. Спектр излучения большинства твердых и жидких тел не­прерывен. Эти тела испускают лучи всех длин волн.

Спектр излучения газов имеет линейчатый характер. Газы испускают лучи не всех длин волн. Такое излучение называется селективным (избирательным). Излучение газов носит объемный характер.

Опыты Мелони показали, что в лучеиспускании твердого тела участвуют не только поверхностные частицы, но и тонкий слой определенной толщины. Суммарное излучение с поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства и по всем длинам волн спектра называется интегральным, или полным лучистым потоком (Q).

Интегральный лучистый поток, излучаемый единицей поверх­ности по всем направлениям, называется излучательной способно­стью тела и обозначается

Е = dQ / dF Вт/м²,

где dQ — элементарный лучистый поток, испускаемый элементом поверхности dF.

Каждое тело способно не только излучать, но и отражать, по­глощать и пропускать через себя падающие лучи от другого тела. Если обозначить общее количество лучистой энергии, падающей на тело, через Q, то часть энергии, равная А, поглотится телом, часть, равная R, отразится, а часть, равная D, пройдет сквозь тело. От­сюда

Q = Q_A + Q_R + Q_D ,

или

A + R + D = 1.

Величину А называют коэффициентом поглощения. Он пред­ставляет собой отношение поглощенной лучистой энергии ко всей лучистой энергии, падающей на тело. Величину R называют коэф­фициентом отражения. R есть отношение отраженной лучистой энергии ко всей падающей. Величину D называют коэффициентом проницаемости. D есть отношение прошедшей сквозь тело лучистой энергии ко всей лучистой энергии, падающей на тело. Для боль­шинства твердых тел, практически не пропускающих сквозь себя лучистую энергию, A + R = 1.

Если поверхность поглощает все падающие на нее лучи, т. е. А = 1, R = 0 и D = 0, то такую поверхность называют абсолютно черной. Если поверхность отражает полностью все падающие на нее лучи, то такую поверхность называют абсолютно белой. При этом R = 1, А = 0, D = 0. Если тело абсолютно проницаемо для теп­ловых лучей, то D = 1, R = 0 и A = 0. В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует, тем не менее, поня­тие о них является очень важным для сравнения с реальными по­верхностями.

Кварц для тепловых лучей непрозрачен, а для световых и ульт­рафиолетовых лучей прозрачен. Каменная соль прозрачна для тепловых лучей и непрозрачна для ультрафиолетовых лучей. Оконное стекло проз­рачно для световых лучей, а для ультрафиолетовых и тепловых почти непрозрачно. Белая поверхность (ткань, краска) хорошо от­ражает лишь видимые лучи, а тепловые лучи поглощает также хо­рошо, как и темная. Таким образом, свойство тел поглощать или отражать тепловые лучи зависят в основном от состояния поверхности, а не от ее цвета.

Если поверхность отражает лучи под тем же углом, под которым они падают на нее, то такую поверхность называют зеркальной. Если падающий луч при отражении расщепляется на множество лучей, идущих по различным направлениям, то такое отражение называют диффузным (например, поверхность мела).

При исследовании лучистых потоков большое значение имеет распределение лучистой энергии, испускаемой абсолютно черным телом по отдельным длинам волн спектра. Каждой длине волны лучей при определенной температуре соответствует определенная интенсивность излучения I _Sλ. Интенсивность излучения, или спектральная (монохроматическая) интенсивность, представляет собой плотность лучистого потока тела для длин волн от λ до λ + dλ, отнесенная к рассматриваемому интервалу длин волн dλ (Вт/м³):

, (7-1)

где I _Sλ — спектральная интенсивность излучения абсолютно черного тела.