Глава XI. Лучистый теплообмен (Под общ. ред. академика В.С.Авдуевского и проф. В.К.Кошкина - Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике)

ГЛАВА Х! ЛУЧИСТЫ И ТЕНЛООБМЕН !!.!. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Лучистым (радиационным) теплообменом называется передача тепла, обусловленная превращением внутренней энергии вещества в энергию излучения, переносом излучения и его последующим поглощением другим веществом. Все тела постоянно испускают и поглощают лучистую энергию. Однако при низких температурах количество излучаемой энергии невелико и может не учитываться при расчете теплообмена между телами.

При повышении температуры тел излучение их резко возрастает, вследствие чего при высоких температурах перенос тепла излучением становится преобладающим по сравнению с теплопроводностью и конвекцией. Роль лучистого тепло- обмена также возрастает прн понижении плотности среды, заполняющей пространство между телами, а в условиях глубокого вакуума он становится единственно возможным видом теплообмена. Поэтому значение лучистого теплообмена особенно велико в современных областях техники. связанных с применением высоких температур или глубокого вакуума, таких, как ракетнокосмическая и авиационная, ядерная, плазменная, металлургия и др, Тепловое излучение представляет собой процесс передачи тепла с помощью электромагнитных волн, скорость распространения которых в вакууме равна скорости света (3 10" м/с).

Таким образом, характерными особенностями лучистого теплообмена является очень большая скорость носителей и возможность передачи тепла от одного тела к другому при отсутствии какой- либо промежуточной среды между ними. Источниками электромагнитных волн являются заряженные частицы (ионы и электроны), входящие в состав вещества. Различные виды движения этих заряженных частиц относительно друг друга приводят к испусканию электромагнитных волн различной частоты.

Так, например, колебание ионов около положения равновесия в твердых телах вызывает непускание электромагнитных волн низкой частоты, движение свободных электронов в металлах относительно ионов приводит к испусканию электро. магнитных волн различной частоты. При этом необходимо отметить, что лучистая энергия испускается телами не непрерывно, а отдельными дискретными порциями — квантами света (нли фотонами). 2а2 Точно такая же физическая природа излучения и высокотемпературных газов. Переход электронов в атомах с более высокого энергетического уровня на более низкий сопровождается испусканием атомами фотонов определенной частоты.

Следовательно. тепловое излучение, как и свет, обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Поэтому тепловое излучение можно представить как поток квантов света (или фотонов), распространяющийся в пространстве со скоростью света, функция распределения которых является волновой. Физическая природа процессов испускания и поглощения достаточно полно представлена в современной теории теплового излучения.

Однако для решения практических задач расчета лучистого теплообмена, ввиду его большой сложности, целесообразно использовать феноменологический метод исследования, рассматривая среду как сплошную, а не дискретную, и обладающую некоторыми суммарными характеристиками, определяющими лучистый перенос энергии. При таком макроскопическом рассмотрении процесса лучистого теплообмена между телами или излучающей средой (газом) и поверхностью тела (стенкой) тепловое излучение можно приближенно описать по аналогии с геометрической оптикой системой тепловых лучей, распространяюьцихся в разных направлениях прямолинейно со скоростью света.

Результирующий эффект испускания или поглощения лучистой энергии обуславливается суммарным воздействием всех лучей, проходящих через рассматриваемый элемент пространства или поверхности. Для этого должна быть известна интенсивность лучей во всех направлениях. Распространение излучения в пространстве характеризуется расходяп!имися в пределах сферы или полусферы лучами, и под направлением луча подразумевается направление осевой линии элементарного телесного угла, внутри которого происходит перенос лучистой энергии.

В макроскопической трактовке непускание и поглощение тепловых лучей выражается количественно с помощью коэффициентов излучения и поглощения, отнесенных к единице площади поверхности тела или единице объема газовых сред. Коэффициенты излучения и поглощения зависят от природы тел и являются функциями их состояния.

С их помощью можно математически описать излучение и рассчитать лучистый тепловой поток между телами или между газом и поверхностью. Тепловое излучение, как и любой другой вид электромагнитного излучения, занимает определенное положение в единой классификации электромагнитных волн по длинам волн, м: космическое у-излучение рентгеновское уяьтрефнояетовое ввянмое 0.%.10 зз Отр!О 'з ... 0,1 10 м 1О '" ...

20 1О е 20-10 е ... 0,4 10 е а,е 1а-' ... а.в. 1а-' инфракрасное . . . .. .. . . . . .. 0,8 10~ ... 0.2.!О 4 радиоволны 0,2 !О а ... 10-10а При температурах до 4000 К основная доля из общего ко. личества лучистой энергии приходится на область спектра с интервалом длин волн л от 0,7 1О ' до 50 1О ' м. В этой области большая часть энергии излучения падает на инфракрасные лучи н небольшая часть — иа световые.

При температуре выше 6000 К уже болыпе половины энергии излучения приходится на видимую и ультрафиолетовую части спектра 11. = О 2.10 ' ... О? 10 ' и). Таким образом, с увеличением температуры происходит не только абсолютное увеличение интенсивности излучения, но также изменяется его спектральный состав. Реальные твердые и жидкие тела в своем болыцинстве являются непрозрачными для тепловых лучей. Такие тела излучают и поглощают инфракрасное излучение в очень тонком слое, непосредственно примыкающем к поверхности.

Поэтому тепловое излучение не зависит от массы таких тел и полностью определяется лишь геометрией и состоянием их поверхности. В связи с этим все количественные характеристики излучения для непрозрачных тел относят к единице площади их поверхности, а сам процесс теплового излучения приближенно рассматривается как поверхностный. В отличие ат непрозрачных тел. газы и некоторые твердые и жидкие тела при ограниченных точщинах слоя излучают и поглощают тепловые лучи во всем своем обьеме. Такие тела или среды в отличие от абсолютно прозрачных (диатермичиых) будем называть полупрозрачными.

Тепловое излучение таких сред зависит от их массы или объема. Поэтому количественные характеристики излучения для полупрозрачных сред относят обычно к единице их объема или массы. Различают интегральное и спектральное !монохроматическое) излучения. Интегральным называется суммарное излучение во всем диапазоне длин волн от 0 до оо. Спектральным 1монохроматическим) называется излучение в узком интервале длин волн от Х до Х + с)Х.

Все величины, описывающие спектральное излучение, относятся к единичному интервалу длин волн и обозначаются подстрочным индексом «л». Плотностью потока излучения Е называется полное количество лучистой энергии, излучаемой в полусферу за единицу времени единицей площади поверхности. Полный поток излучений Я с поверхности плошадью Е может быть выражен через плотность потока излучения интегралом.' (11 11 Следовательно, 111.2) ллкл л определению Рнс. !!.2. Графическое определение спектральной интенсивности излече- ния Рис. ! !.

!. Схема к иркостк налччении Распределение излучения по направлениям в пределах полусферы характеризуется величиной яркости. Яркостью (или калорнческой яркостью) излучения называется количество энергии, излучаемое единицей площади поверхности, расположенной перпендикулярно направлению излучения, в единицу времени, в единицу телесного угла: В =- пй пг соа ф где сΠ— элементарный интервал длин волн. Ек зависит от длины волны. температуры. вида и состояния поверхности. Связь между Е, и Е можно записать в интегральной форме следующим образом: (11.5) о т. е.