Лучистый теплообмен. Основные свойства и характеристики. Законы лучистого теплообмена. (Занятие 11)

1. Часть 2

Основы теории
теплообмена
Занятие 11
Лучистый теплообмен. Основные свойства и характеристики.
Законы лучистого теплообмена. Теплообмен излучением
системы тел в прозрачной среде.
Использование экранов для защиты от излучения

2. Лучистый теплообмен

- результат превращения внутренней энергии тел в
энергию электромагнитных колебаний
Характеризуется:
Излучение
1. Длиной волны
с
Фильм 087

3. Лучистый теплообмен

Тепловое излучение: =0,8÷80 мкм

4. Лучистый теплообмен

Характеризуется:
2. Поверхностная плотность интегрального
излучения
Е, Вт/м
- тепловой поток, излучаемый на всех длинах волн с
ед.поверхности тела по всем направлениям
ЕR
ЕA
ЕD
Епад
Епад = ЕA + ЕR + ЕD
Епад
Епад
1=А+R+D

5. Лучистый теплообмен

ЕА
А
Епад
ЕR
R
Епад
ЕD
D
Епад
ПОГЛОЩЕНИЯ
- коэффициенты
ОТРАЖЕНИЯ
ПРОПУСКАНИЯ
А.Ч.Т (А=1) – тело, поглощающее
все падающее на него излучение

6. Лучистый теплообмен

Эффективное излучение тела –
сумма потоков собственного и отраженного телом
излучения:
Еэф = Е + RЕпад
Лучистый теплообмен –
суммарный процесс взаимного испускания,
поглощения, отражения и пропускания энергии
излучения в системах тел

7. Закон Стефана-Больцмана

Чех
(опыт 1879)
Австриец
(теор.док-во 1881)
Для АЧТ поверхностная плотность
интегрального излучения Е0 описывается:
E 0 0T
4
0 = 5,67·10-8 – постоянная СтефанаБольцмана

8. Закон Стефана-Больцмана

Для любого тела:
T
E C0
100
4
С0 = 0·108 – коэффициент излучения АЧТ
- степень черноты тела
Е
Е0
0< <1

9.

Материал
Алюминий шероховатый. . . . . . . . . . . . . . . .
Алюминий, окисленный при 600 °С. . . . . . .
Железо окисленное гладкое . . . . . . . . . . . .. .
Золото полированное. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Латунь прокатанная. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Латунь, окисленная при 60 °С . .. . . . . . . . . .
Медь полированная. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Медь, окисленная при 600 °С . . . . . . . . . . . .
Молибденовая нить. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Никель технический полированный . . . . . .
Никелевая проволока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Никель, окисленный при 600 °С. . . . .. . . . . .
Платина чистая, полированная пластина. . .
Платиновая проволока. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Серебро полированное, чистое. . . . . . . . . . .
Асбестовый картон. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Бумага тонкая . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .
Кирпич красный. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .
Кирпич огнеупорный. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лак белый и черный . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Масляные краски различных цветов .. . . . . .
Сажа, свечная копоть. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Продольная нить . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Штукатурка шероховатая, известковая. . . . .
t, С
26
200—600
125—525
225-635
22
200—600
80—115
200—600
725—2 600
225—375
185—1000
200—600
225—625
225—1375
225—625
40—370
19
20
40—95
100
95—270
1040—1405
10—88
0,055
0,11—0,19
0,78—0,82
0,018—0,035
0,06
0,61—0,59
0,018—0,023
0,57—0,87
0,096—0,292
0,07—0,087
0,096—0,186
0,37—0,48
0,054—0,104
0,73—0,182
0,020—0,032
0,93—0,950
0,92
0,93
0,8—0,9
0,80—0,98
0,92—0,86
0,95
0,53
0,91

10. Закон Кирхгофа

Рассмотрим 2 тела:
серое
АЧТ
E0=Е +(1-A)E0
t1 = t2
=>> Е =-E0 +АE0+E0
E
AE0
Передача теплоты:
E0
(1-A)E0
Все
поглощается
=>> Е =АE0
Е
А
Е0
=А

11. Закон Кирхгофа

=А
Степень черноты тела в состоянии
термодинамического равновесия численно
равна его коэффициенту поглощения при той
же температуре
При увеличении А -> увеличивается E
Е
А
Е0

12. Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде

Рассмотрим 2 тела:
D=0,
A1, T1
T1 > T2
E1
D=0,
A2, T2
E1A2
(1-A2)E1A1
(1-A2)E1(1-A1)
(1-A2)E1(1-A1)A2
A1E2
Для непрозрачных тел:
D=0, R=(1-A)
E1 – излучение 1-го тела на второе
E2 – излучение 2-го тела на первое
Еэф = Е + RЕпад
Еэф1 = Е1 + Еэф2(1-A1)
Еэф2 = Е2 + Еэф1(1-A2)
Плотность теплового потока:
q = Еэф1 – Eэф2

13. Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде

Подставим выражение 1 в 2:
Еэф1 = Е1 + Еэф2(1-A1)
Еэф2 = Е2 + Еэф1(1-A2)
Получим:
Еэф2 = Е2 + (Е1+Eэф2(1-A1)) (1-A2)
Еэф2
Е2 Е1 А2 Е1
А1 А2 А1 А2

14. Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде

Аналогично получаем выражение для Еэф1:
Еэф2 = Е2 + Еэф1(1-A2)
Еэф1 = Е1 + Еэф2(1-A1)
Получим:
Еэф1 = Е1 + (Е2+Eэф1(1-A2)) (1-A1)
Е2 Е1 А1Е2
Еэф1
А1 А2 А1 А2

15. Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде

Плотность теплового потока:
q = Еэф1 – Eэф2
q1,2
А2 Е1 А1Е2
А1 А2 А1 А2
T
Применяя закон Стефана-Больцмана: E C0
100
4
И закон Кирхгофа: А=
4
q1, 2
4
T1
T2
2 1С0
1 2С0
100
100
1 2 1 2

16. Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде

4
4
1
T
T
1
1
С0
100 100
1 1
1
1 2
q1,2
T 4 T 4
прС0 1 1
100 100
Приведенная степень
черноты системы тел:
пр
1
1 1
1
1 2

17. Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде

Полный тепловой
поток:
Q1,2
T 4 T 4
1
1
прС0 F
100 100
При разных площадях ТО F1 F2:
Q1,2
T 4 T 4
1,2 прС0 F 1 1
100 100

18. Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде

1,2 – коэффициент
облученности тела
T1 > T2
T2 F2
T1F1
1,2 = 1
F1
2,1
F2
пр
1
1 F1 1
1
1 F2 2

19. Использование экранов для защиты от излучения

Рассмотрим 2 тела:
1= 2= Э=
T2
qЭ,2
q1,2
TЭ
q1,Э
T1
T1 > T2
1
пр1 пр1
1 1
2
1
T 4 T 4
q1,Э прС0 1 Э
100 100
T 4 T 4
qЭ,2 прС0 Э 2
100 100
В стационарном режиме:
q1,Э qЭ,2

20. Использование экранов для защиты от излучения

T 4 T 4
T 4 T 4
прС0 1 Э прС0 Э 2
100 100
100 100
4
4
1 T1 T2
TЭ
2 100 100
100
4
Тогда, тепловой поток при наличии экрана:
q1,Э qЭ,2
4
4
1
T1 T2
прС0
100 100
2

21. Использование экранов для защиты от излучения

Тепловой поток без экрана:
q1,2
T 4 T 4
прС0 1 2
100 100
Т.е. при наличии экрана тепловой поток
излучением снижается в 2 раза !!!
При наличии n экранов и Э тепловой
поток уменьшается:
q1, 2
э
q1, 2
1 n 2 э
э 2

22. Использование экранов для защиты от излучения

Например для окисленной стальной поверхности
=0,8 и при наличии 1 экрана с Э=0,1:
q1, 2
э
q1, 2
1 n 2 э
1 1 0,8 2 0,1
25
э 2
0,1 2 0,8
при наличии 2-х экранов:
q1, 2
э
q1, 2
1 2 0,8 2 0,1
0,1 2 0,8
38 раз