Теплообмен излучением между двумя плоскими поверхностями бесконечной протяженности между которыми помещены несколько экранов

Пусть между двумя поверхностями имеется n безграничных пластин (например, фольги), играющих роль тепловых экранов. Поглощательная способность экрана равна a_э, и отличена в общем случае от поглощательных способностей поверхностей а₁ и а₂. Тогда поток энергии равен:

или

поскольку для серого тела .

Указанная формула широко применяется для расчета тепловых экранов. Очевидно, что больший эффект дают экраны с малым значением коэффициента черноты (коэффициента поглощения).

Случай в замкнутой полости

В случае теплообмена излучением между вогнутой серой поверхностью с площадью и облегающей ее серой поверхностью с площадью, которые вместе образуют замкнутую систему

или

Указанные формулы применяются в случае лучистого теплообмена для системы, состоящей из двух бесконечно длинных коаксиальных цилиндров или двух концентрических сфер.

Примеры задач в случае лучистого теплообмена

Условие. Чему равны степень черноты серого тела и значение Е_соб при температуре Т=800 К, если Е_пад =60 кВт/м₂, Е_погл=48 кВт/м²?

Решение. Поглощательная способность данного тела

Степень черноты , а

Вт/м²

Условие. В космическом пространстве на околоземной орбите вращается сферическая частица метеорита. найти температу3ру частицы, когда она находится на солнечной стороне Земли. Плотность потока излучения Солнца на площадке, расположенной перпендикулярно лучам вблизи Земли, но за пределами атмосферы, равна 1.55 кВт/м². Принять, что частица является серым телом.

Решение. При установившемся состоянии количество энергии излучения. поглощенной частицей, и количеством энергии. излучаемой частицей, равны

,

где F_N - проекция облучаемой поверхности частицы на плоскость, нормальную к падающему излучению; F - поверхность частицы.

Для шара диаметром d

.

Тогда

Часть 2. Теплообмен излучением в излучающе-поглощающей среде Особенности излучения и поглощения газов

Газы обладают способностью излучать и поглощать лучистую энергию. для разных газов эта способность различна. Излучение и поглощение обычных одно- и двухатомны газов (азота N₂, кислорода O₂ , водорода H₂ , гелия He) столь незначительны, что в инженерных расчетах эти газы можно рассматривать как абсолютно прозрачные (диатермические) среды. значительной способностью поглощать и испускать лучистую энергию обладают многоатомные газы. для теплотехнических расчетов наибольший интерес представляют пары воды и углекислый газ поскольку эти газы входят в состав продуктов сгорания при сжигании различных видов топлива.

Излучение и поглощение газов носят объемный характер. Спектры излучения-поглощения газов в отличии от многих твердых тел носят селективный характер. Иначе говоря, процессы излучения и поглощения происходят лишь внутри ряда дискретных полос спектра; при других длинах волн (частотах) газ ведет себя как диатермическая среда.

Для наглядно представления рассмотрим спектр атома водорода. Энергия E, длина волны λ и частота ν фотона, испускаемого или поглощаемого при переходе из одного состояния n₁ в другое n₂ находятся из формулы:

,

где E_i=-13.6 эВ энергия ионизации атома водорода.

Спектр атома водорода изображен ниже:

При указанных переходах атомы водорода "захватывают" фотоны, что приводит к нагреванию газа. Одновременно происходит обратный процесс - излучения энергии объема газа.

В связи с тем, что в любом макроскопически малом объеме газа его состояние обычно весьма близко к термодинамически равновесному состоянию, каждый элементарный объем газа излучает фотоны по всем направления с примерно одинаковой интенсивностью. Иначе говоря, элемент газового объема является изотропным излучателем.

В интервале длин волн, которые интересны в технических приложениях (от 4∙10^-3м до 10^-3 м ) фотоны чистым воздухом почти не поглощаются. т.е он является диатермической средой.