- •Раздел четвертый теплообмен излучением
- •Тема 14 Основные положения лучистого теплообмена
- •14.1 Описание процесса
- •14.2 Виды лучистых потоков
- •14.3 Законы теплового излучения
- •Виды лучистых потоков.
- •Тема 15 Теплообмен излучением меду твердыми телами, разделенными прозрачной средой
- •15.1 Методы исследования лучистого теплообмена
- •15.2 Теплообмен излучением в системе тел с плоскопараллельными поверхностями
- •15.3 Излучательная способность твердых тел и методы ее определения
- •15.4 Теплообмен излучением между телом и его оболочкой
- •15.5 Теплообмен излучением между двумя телами, произвольно расположенными в пространстве. Угловые коэффициенты излучения
- •15.6 Геометрические свойства лучистых потоков
- •15.7 Методы определения угловых коэффициентов излучения
- •Тема 16 Теплообмен в поглощающих и излучающих средах
- •16.1 Уравнение переноса энергии в поглощающей среде
- •16.2 Особенности излучения газов и паров
- •16.3 Сложный теплообмен
- •16.4 Критерии радиационного подобия
15.2 Теплообмен излучением в системе тел с плоскопараллельными поверхностями
Излучающая система без экранов. Рассмотрим систему тел, имеющих большие размеры по сравнению с расстоянием между ними. Поверхности изотермические, причем Т1>Т2. Определить результирующий тепловой поток излучения.
По методу эффективных потоков излучения
. (4.1)
Эффективные потоки для каждой поверхности выразим через результирующий и собственные
,
.
При стационарном тепловом режиме . Численно это равенство объясняется, что сколько теплоты отдает первое тело, столько теплоты воспринимается вторым.
По закону Стефана-Больцмана
; .
Подставляя вышеизложенные выражения в уравнение (4.1), получим
,
где Апр – представляет собой приведенный коэффициент поглощения,
.
С учетом этого, .
Обозначим - приведенная излучательная способность, Вт/(м2К4), которая характеризует интенсивность результирующего излучения для системы тел. Количественно она равна потоку результирующего излучения, отнесенному к единице поверхности рассматриваемого тела, к единице времени и к единице перепада температур в четвертых степенях между этим телом и окружающими его телами.
Полный результирующий поток
.
Теплообмен излучением при наличии экранов. Экраны устанавливаются ортогонально к направлению потока излучения и выполняются из материалов с большой отражательной способностью. В результате переизлучения результирующий тепловой поток уменьшается в соответствии с количеством установленных экранов и их оптическими с войствами.
При установке одного экрана рассматривается система, состоящая из совокупности двух систем плоскопараллельных поверхностей, где
,
.
Если принять А1,э=Аэ,2=А1,2, кроме того для стационарного процесса , то
.
Используя найденное значение Тэ, получаем плотность потока результирующего излучения в системе при наличии одного экрана
.
Из уравнения следует, что при установке 1 экрана тепловой поток уменьшается в 2 раза.
Если рассматривать систему при наличии n экранов, то
.
Видно, что плотность потока результирующего излучения при использовании n экранов уменьшается в (n+1) раз, т.е. каждый последующий экран работает менее эффективно. Кроме того, расстояние экранов от нагретой поверхности на тепловой поток влияния не оказывает.
15.3 Излучательная способность твердых тел и методы ее определения
Излучательная способность является сложной функцией, зависящей от природы излучающего тела, его температуры, состояния поверхности, а для металлов от степени окисления поверхности. Для чистых металлов с полированными поверхностями излучательная способность имеет низкие значения. Для чистых металлов излучательная способность определяется теоретическим путем
,
- удельное сопротивление при 0оС , Ом∙мм2/м.
Опытное исследование излучательной способности твердых тел проводится следующими методами: радиационным, калориметрическим, методом регулярного теплового режима, методом непрерывного нагревания с постоянной скоростью.
В этих методах перенос теплоты за счет теплопроводности и конвекции должен быть пренебрежимо мал по сравнению с излучением.
Радиационный метод. Радиационный метод является относительным методом. Он основан на сравнении излучения исследуемого тела с излучением абсолютно черного тела или другого тела с известным коэффициентом излучения.
Результирующий поток излучения определяется по термоЭДС дифференциальной термопары, которая измеряется гальванометром. Один из спаев термопары воспринимает излучение, падающее с исследуемого тела, другой – с поверхности эталонного тела.
Излучательная способность исследуемого тела с плоской поверхностью вычисляется по соотношению
.
Из этого соотношения определяется с:
,
где - постоянная прибора, которая определяется из предварительных тарировочных опытов, в которых вместо исследуемого тела используется эталон
.
В этих формулах и – отклонения гальванометра в опытах с исследуемым телом и эталоном; T1, Tэ – их абсолютные температуры; T2 – температура приемника излучения.
Калориметрический метод. Этот метод исследования основан на непосредственном измерении потока результирующего излучения. Поэтому он относится к абсолютным методам. Излучательная способность определяется также
.
Форма исследуемого образца может быть различна. Необходимо только, чтобы поверхность системы, в которую помещается образец, была значительно больше поверхности самого образца или имела излучательную способность абсолютно черного тела.
Метод регулярного теплового режима. В основу определения излучательной способности этого метода положена зависимость для и . Тогда коэффициент теплоотдачи
,
где m – темп охлаждения, 1/с,
С – полная теплоёмкость исследуемого образца, кДж/(кг·К),
F – площадь его поверхности, м2.
Если образец участвует лишь в лучистом теплообмене, то излучательная способность
,
где - температурный фактор, К3
.
Уравнение показывает, что опыты сводятся к определению темпа охлаждения образца для регулярного теплового режима.
Метод нагревания тела с постоянной скоростью. Этот метод также относится к регулярному режиму. Но в отличии от предыдущего метода, в котором охлаждение образца проводится при постоянной температуре окружающей среды, в рассматриваемом методе она меняется во времени с постоянной скоростью. Опыты проводятся при .
В небольшом зазоре между толстостенным кожухом и образцом создаётся низкое давление среды, в которой перенос теплоты за счет конвекции и теплопроводности отсутствует. Система нагревается с постоянной скоростью.
Излучательная способность определяется также из зависимости, согласно закону Стефана-Больцмана
.
Поток результирующего излучения определяется по уравнению теплового баланса
.
Тогда приведенную излучательную способность для системы «образец – кожух» можно найти
.
Затем определяется искомое значение излучательной способности образца с1 при заданной излучательной способности блока.