Термодинамика и теплопередача Болгарский А.В. Мухачев Г.А. Щукин В.К. (1013761), страница 78
Текст из файла (страница 78)
ГЛЛБЛ Х111 ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ Все тела при любых температурах излучают н поглощают энергию излучения, но количество теплоты, переносимое путем излуче. ния, становится существенным только при высоких температурах или в условиях, когда перенос теплоты другими способами затруднен (при свободной конвекции, особенно в вакууме). Благодаря высоким температурам в камерах сгорания ракетных двигателей и в плазменных установках потоки теплоты излучением становятся сопоставимыми с конвективными тепловыми потоками и даже могут превосходить нх. При полете в сильно разреженном 427 воздухе теплообмен излучением становится решающим способом передачи теплоты из-за низкой интенсивности теплоотдачи в условиях разрежения.
В этой главе теплообмен излучением рассматривается без учета возможности переноса теплоты другими способами. И только в последнем параграфе главы рассмотрен радиационно-конвективный теплообмен, й !. Радиационные характеристики тел К важнейшим радиационным характеристикам тел относятся с т е п е н ь ч е р н о т ы (или коэффи>(иект излучения), харак- теризующая способность тела испускать энергию излучения, а такжепоглошательная, отражательная и про- пускательная способности, от которых зависит распределение падающей на тело энергии излучения между погло- щенным, отраженным и прошедшим сквозь тело радиационными потоками.
Величина степени черноты зависит от природы тела, темпера- туры, степени шероховатости поверхности, а для металлов — еше от степени окисления поверхности. Степень черноты диэлектриков прн комнатной температуре в большинстве случаев больше 0,8 и уменьшается с повышением температуры. У металлов степень чер- ноты значительно ниже, чем у диэлектриков, и увеличивается с ро- стом температуры. Так, при комнатной температуре чистые сталь- ные и чугунные поверхности имеют степень черноты а =- 0,05— — 0,45, а при высоких температурах е =0,7 — 0,8. Для полирован- ной алюминиевой поверхности повышение температуры с 500 ло 850' К приводит к увеличени>о в от 0,047 до 0,069.
Пленка окислов на металлической поверхности оказывает су- щественное влияние на степень черноты последней. Так, появление окислов на полированной поверхности алюминия приводит к уве- личению ее степени черноты с 0,05 до 0,8. Влияние состояния поверхности на степень черноты можно про- иллюстрировать также таким примером. Полированная поверх- ность бронзы имеет е = 0,04, а пористая поверхность — примерно в !4 раз больше, На степень черноты металлической поверхности существенное влияние оказывает также вид механической и термической обра- ботки. Способность металлических поверхностей излучать энергию мо- жет быль умень(пена с помощью покрытия их слоем золота, серебра или никеля.
Для большинства твердых тел пропускательной способностью можно пренебречь, тогда поглошательнзя и отражательная способ- ности оказываются связанными между собой уравнением (!.7), Поглощательная, а следовательно, и отражательная способ- ности твердых тел зависят не только от природы тела, состояния поверхности н ее температуры, но и от распределения падающего 42З излучения по длинам волн, т. е. от природы и температуры излучающего тела. Поэтому поглощательную и отражательную способности поверхности оценить труднее, чем степень ее черноты. При температурах, близких к нормальной, поглощательная способность большинства неметаллических материалов больше 0,8, но она может значительно уменьшаться с увеличением температуры.
Чистые металлические поверхности поглощают значительно меньше энергии излучения, но с увеличением температуры нх поглощательная способность увеличивается примерно пропорционально )г Т,Т, (Т, и Т,— температуры излучающей и поглошающей поверхностей). Окисление металлической поверхности увеличивает ее поглощательную способность А, при этом изменяется зависимость А от температуры: поглошательная способность окисленных поверхностей уменьшается с ростом температуры.
Полированные металлические поверхности обладают большой отражательной способностью. Следует заметить, что при умеренной температуре источника излучения цвет поверхности не определяет ее поглошательную способность. В этих условиях белые тела так же хорошо поглощают энергию излучения, как и темные. Так, например, у снега поглощательная способность А = 0,985. 9 2. Теплообмен излучением между твердыми телами ми большую поверхность и отстоящими друг от друга на небольшом расстоянии так, что излучение каждой стенки полностью попадает на противоположную (рис.
13.!). Излучение каждой стенки частично поглощается, частично отра>кается, причем этот процесс многократно повторяется и имеет затухающий характер. Обозначим через д, плотность потока эффективного излучения от первой стенки ко второй, включающую как собственное излучение первой Тг т| ' бг стенки, так и все ее отражения. Аналогично плотность потока эффективного излучения от второй стенки к первой — дм Из потока излучения дм падающего на первую стенку, буде~ поглощено А,дз и отражено (1 — А,) д, (стенки считаются непроницаемыми).
Следовательно, о> = Е, + (1 — А,) д,. (13. 1) 429 Интенсивность теплообмена излучением между твердыми телами в общем случае зависит от физических свойств этих тел, их температур, расстояния между нимв и их взаимного располо>кения. Рассмотрим теплообмеп излучением при стационарном реж>пие между двумя параллельными стенками, имеюши- Аналогично поток излучения от второй стенки до = Ео + (1 — Ао) а1 (13.2) Аналогично для до найдем Е, + Ео — Ао Ео Чав А1+А,— А, А, ' (13.4) Результируюп!ий поток д равен разности д! и ()о Ао и — А, Е А,+А„— АоАо ' (13.5) Так как Е,=е,С,( — ') =А,Со( — ') и Е,=е,Со ( — ') = Ао Со ( —,„' ), то, подставив эти выражения в выражение (13.5), получим где Со — коэффициент излучения абсолютно черного тела; А„р— приведенная поглощательная способность системы, которая ойре- деляется формулой А,= ! 1 — + — — 1 Ао А, Так как е = А и С = зСо, то формуле (13.6) можно придать вид д з„С[( ) ( )~, (13.7) или Ч=С [(Г )! ( Т )41, (13.8) гле еь„и С,ь — приведенная степень черноты и приведенный ковф- фициеьйт излдчения системы.
Эти параметры определяются фор- мулами: 1 з„р —— ! ! — -1- — — 1 е, е, 1 1 ! + — —— .С, С, Со Выразим из этих уравнений а, и до в явном виде. Подставив д„ из уравнения (13.1) в уравнение (13.2), после несложных преобразований получим Е,+и,— А,;о (13.3) Л, + Ао — А1 Ао Если одно тело окружено поверхностью другого (рис. 13.2, а), то вся излучаемая центральным телом энергия падает на внешнее тело, но излучение внешней поверхности только частично падает на центральное тело, а остальная часть излучения снова попадает на ту же поверхность. Расчетная формула для такой системы тел отражает эту особенность теплообмена излучением Я=е С,Е,~~ — ') — ( — ') ~, (13.9) где епр = Когда центральное тело имеет маленькую поверхность (Г, -+. -+ О), то е,р — е„т. е.
в этом случае передача энергии осуществляется только за счет излучения центрального тела, так как излучение поверхности Ет практически не попадает на поверхность Е1. т2 не~ Рис. 13.3 Рис. 13.2 „~(т,) (т,)~ (!3.10) где епр е,е, гр — приведенная степень черноты системы; Е расчетная поверхность теплообмена (Р1 или Ра); гр — средний уг- * Эта формула имеет приближенный характер, так как при ее выводе учтено только первое поглощение, а последующие отражения не приняты во внимание. 431 Форх1ула (13.9) может применяться для любой формы тел, но меньшая поверхность должна быть обязательно выпуклой.
По этой же формуле рассчитывается теплообмен между поверхностями, изображенными на рис. 13.2, б. Расчетная формула для оценки теплообмена излучением между поверхностями, произвольно расположенными в пространстве (рис. 13.3), выводится на основе закона Ламберта. В окончательном виде формула* записывается так: еоеой коэффициент, или коэффициент облученности, который вы- ражается формулой (13,11) При теплообмене излучением между произвольно расположенпымн телами расстояние между поверхностнми влияет на количество передаваемой теплоты, тогда как в предыдуших задачах такого влияния не отмечалось. Это обусловлено тем, что для точечного источника излучения плотность потока излучения уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника.
т; с, Те се с Рис. 13.4 При увеличении размера источника влияние расстояния на теплообмен уменьшается и при бесконечно больших поверхностях расстояние между телами на теплообмен не влияет. Для замкнутых систем (рис. 13.2) это условие удовлетворяется при конечных размерах поверхностей. Рассмотрим теперь теплообмен излучением при наличии экранов, которые уменыиают интенсивность теплообмена между телами. Экраны обычно изготовляют из тонких металлических листов. Сопоставим теплообмен излучением при стационарном режиме между параллельными стенками без экрана и с экраном (рис. 13.4), воспользовавшись формулой (13.8). Примем С, = С, = С„= С. Если экрана нет, то Си[(T )' ( т )'1 (13.12) При наличии экрана тепловой поток между первой стенкой и экраном выразится формулой (13.13) От экрана ко второй степке передается теплота д„=с„~( — '~~ )' — ( — '1'1.
(13.14) Коэффициент облученности учитывает форму н взаимное расположение участвуюших в теплообмене поверхностей, их размеры и расстояние между ними. Числовое значение углового коэффициента определяется графическим, аналитическим или экспериментальным способами. Для наиболее важных случаев теплообмена излучением значения этих коэффициентов приводятся в спрат, ночной литературе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
