Đang tải... (xem toàn văn)
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ Известные понятия Теплообмен изучением Все тела излучают энергию Интенсивность излучения зависит от температуры и состояния поверхности Спектр электромагнитного излучения Тепловое излучение: такая же волновая природа как свет и радиоволны Квант теплового излучения имеет длину волны λ и частоту ν Абсолютно черное тело Тело поглощает всю падающую энергию, ничего не отражает, ничего не пропускает Закон Стефана-Больцмана Поток энергии, излучаемый телом - Е(Т), Вт/м2 Стефан 1879 – эксперимент Больцман 1884 - теория Е(Т)=σ Т4 σ =5,67.10-8 Вт/м2К4 Основные понятия Тепловое излучение есть процесс распространения энергии электромагнитными волнами Причина излучения - нерегулярное торможение заряженных частиц (электронов, ионов) в теле Процесс излучения можно рассматривать в рамках электромагнитной и квантовой теорий Тепловое излучение - поверхностное явление, т.к в процессе участвуют тонкие поверхностные слои (0,001-1 мм) Процесс излучения зависит от уровня температуры С температурой изменяется не только интенсивность, но и состав (спектр) излучения Область теплового излучения в электромагнитном спектре Основные понятия Область теплового излучения в электромагнитном спектре охватывает диапазон длин волн 10-7-10-4 м Равновесное излучение - если оно находится в термодинамическом равновесии с веществом Спектр равновесного излучения не зависит от природы вещества Непрерывный спектр излучения - тело излучает энергию всех длин волн ( λ = ÷ ∞ ) Селективный спектр - избирательно в определенном диапазоне длин волн Монохроматическое соответствует узкому интервалу длин волн λ ÷ ( λ + dλ ) Полное (интегральное) излучение - во всем диапазоне длин волн Основные понятия Интегральное излучение – энергия, излучаемая телом (Q, Вт) Излучательная способность – поток, с единицы поверхности Q = ∫ EdF F Спектральная излучательная способность - Jλ = dE dλ dω ψ dEψ d 2Q d 2Q dEn I= = = = dω ⋅ dFn dω ⋅ dF ⋅ cos Ψ dω ⋅ cos Ψ dω dI Iλ = dλ Вт/м2 Вт/м3 n Яркость излучения - Спектральная яркость излучения - dQ E= dF dF.cosψ dF Распределение падающего излучения Уравнение теплового баланса: QA + QR + QD = Q QA QR QD + + =1 Q Q Q A+R+D=1 A, R, D - поглощательная, отражательная и пропускательная (прозрачность) способность тела Частные случаи: A=1; R=D=0 - абсолютно черное тело D=1; A=R=0 - абсолютно прозрачное R=1; A=D=0 - абсолютно зеркальное Определения Абсолютно белое тело - излучение отражается от тела диффузно, т.е яркость отраженного излучения во всех направлениях одинакова Серое тело - поглощающая способностью А < для всех длин волн Селективно (избирательно) поглощающее тело - поглощательная способность зависит от длины волны — абсолютно черное тело; - - - серое; -⋅-⋅-⋅ селективное поглощение Виды излучения Е - собственное излучение тела Епад - излучение, падающее на тело Епогл = А Епад - поглощенное излучение Еотр =(1-А) Епад - отраженное излучение Еэф = Е + Еотр = Е + (1-А) Епад сумма собственного и отраженного излучения - эффективное излучение результирующее излучение - разность между потоком, который тело излучает в окружающую среду, и поглощенным потоком для I-I q рез = E − Eпогл = E − A ⋅ Eпад для II-II q рез = Eэф − Eпад Eэф 1 E = q рез ⋅ 1 − + A A Законы теплового излучения Получены для равновесного излучения абсолютно черного тела Равновесное (черное) излучение - при котором все тела в системе принимают одинаковую температуру, q рез = Закон Планка Устанавливает связь между спектральной излучательной способностью абсолютно черного тела, длиной волны и температурой Jλ = ( C1 λ5 eC2 λT ) −1 (*) C1 = 3,7418.10-16 Вт.м2 - первая константа излучения; C2= 1,4388.10-2 м.К – вторая константа излучения, λ - длина волны, м Т – абсолютная температура, К 10 Типы отражательных поверхностей диффузная; реальная; зеркальная; – отражательная способность для коротких волн; - отражательная способность для длинных волн; – интегральная отражательная способность (по всем длинам волн) 22 Теплообмен излучением между телами Две непрозрачные плоские параллельные поверхности (1 и 2) Допущения: • расстояние между поверхностями меньше их размеров • температуры поверхностей (T1, T2) и плотности потоков собственного излучения (E1, E2) вдоль поверхностей не меняются • тепло между поверхностями переносится только за счет излучения (теплопроводность и конвекция в зазоре отсутствуют) > E1 Eэф2(1-А1) E2 Eэф1(1-А2) Результирующий поток ε пр = ( q1, = σ ε пр T14 − T24 1 F1 + ( − 1) ε F2 ε Полный поток тепла от к ) приведенная степень черноты Q = q1, ⋅ F 23 Теплообмен излучением между телами Между двумя плоскими поверхностями - экран, расположенный параллельно Пусть: • термическое сопротивление экрана мало, • степени черноты всех поверхностей одинаковы ( q12 = σ 0ε пр T14 − T24 без экрана одинако Температура экрана Tэ: с экраном q12 э = q12 n +1 ) ( Tэ4 = 0,5 T14 − T24 ) n – число экранов 24 Излучение в газах Вода имеет большую степень черноты длинноволнового теплового излучения для жидкого и твердого агрегатного состояний Одно- и двухатомные газы (He, H2, N2 и др.) практически прозрачны для теплового излучения - не поглощают его и не излучают сами Трехатомные газы (H2O, CO2, SO2, NO2 и др.) обладают большой излучательной и поглощательной способностью Они поглощают и излучают в определенных интервалах длин волн, а в остальной части спектра – прозрачны 25 Излучение в газах Поглощение (и излучение) газа носит объемный характер Поглощательная способность зависит от количества молекул на длине пути рассматриваемого луча, то есть от плотности (или давления Р) и толщины слоя газа l Эта зависимость нелинейная вследствие взаимодействия молекул, возрастающего при увеличении давления Излучение газов отклоняется от закона четвертой степени, но для удобства: E = ε(T , pl ) ⋅ σ ⋅ T в виде графиков 26 Излучение в газах Поправочный коэффициент β H2O для определения степени черноты ε H2O Задача В нагревательной печи температура газов по всему объему постоянна и равна 1200оС Объем печи V=12 м3 и полная поверхность охлаждения F=28 м2 Общее давление продуктов сгорания Р=98,1 кПа Парциальное давление водяных паров Рн2о=8 кПа, углекислоты РС2о=12 кПа Вычислить степень черноты излучающей газовой смеси и собственное излучение продуктов сгорания Средняя длина луча для газового слоя в объеме печи V l = 3,6 = 1,54 м F Произведения парциального давления на длину пути луча pH 2O l = 1,2 ⋅10 ⋅1,54 = 1,85 ⋅10 мПа pС 2O l = 0,8 ⋅10 ⋅1,54 = 1,23 ⋅10 мПа 4 Степень черноты воды и углек при температуре 1200оС по графикам ε H 2O = 0,1 ε С 2O = 0,11 Степень черноты газовой смеси ε г = ε С 2O + βε H 2O = 0,11 + 1,05 ⋅ 0,1 = 0,215 Собственное излучение продуктов сгорания Ег = ε г σ ⋅ Т = 0,215 ⋅ 5,67 ⋅10 ⋅1473 = 5,74 ⋅10 Вт / м г −8 4 Теплообмен излучением между телами Две поверхности, произвольно расположенные в пространстве Угловые коэффициенты излучения ϕ12 = Q1− Q1 Q2 −1 ϕ 21 = Q2 - доля диффузно распределенной энергии излучения, которая передается с одной поверхности на другую Q12 = σ [T14 F1ϕ12 − T24 F2 ϕ 21 ] По закону Стефана-Больцмана ϕ12 ⋅ F1 = ϕ 21 ⋅ F2 Свойство взаимности ( ) ( ) Q12 = σ T14 − T24 F1ϕ12 = σ T14 − T24 F2 ϕ 21 Результирующий поток для системы серых тел ε пр = 1 1 + ϕ12 − 1 + ϕ 21 − 1 ε1 ε2 ( ) Q12 = σ ε пр T14 − T24 F1ϕ12 приведенная степень черноты системы из двух тел (оптико-геометрический параметр) 31 Теплообмен излучением между телами Значения угловых коэффициентов для разных геометрий даются в справочниках Примеры формул для угловых коэффициентов ь Теплообмен между телом (1) и оболочкой(2) энергия, излучаемая телом 1, полностью поглощается телом Потоки собственного излучения по закону Стефана-Больцмана E1 = σ ε1T14 E2 = σ ε 2T24 ( ) σ T14 − T24 F1 Q12 = F + − 1 ε1 ε F2 Общее количество тепла от к ( ) Если F1