Основные понятия и определения
Теплообмен излучением
Процесс теплового излучения широко распространены в различных областях техники, в частности, в металлургии, сушильной технике и т.д. Тепловое излучение или радиация занимает особое положение среди других видов теплообмена, так как физическая природа радиации принципиально отличается от передачи теплоты теплопроводности и конвекцией.
Лучистая энергия переносится электромагнитными волнами. Возникновение лучистой энергии происходит в результате сложных, внутримолекулярных возмущений. Лучистый теплообмен связан с двойным превращением энергии: на поверхности тела-излучателя теплота трансформируется в энергию электромагнитных колебаний, которая распространяется в лучепрозрачной среде (или в вакууме) и при поглощении ее каким-либо другим телом вновь превращается в теплоту. Всякое тело, имеющее температуру, отличную от абсолютного нуля, способно излучать лучистую энергию, т.е. наряду с потоком лучистой энергии от более нагретых тел к менее нагретым всегда имеется и обратный поток от менее нагретых тел к более нагретым. Конечный результат такого обмена и представляет собой количество переданной излучением теплоты.
Большинство твердых и жидких тел имеют сплошной спектр излучения, т.е. излучают энергию всех длин волн от 0 до ∞. Однако способностью трансформироваться в теплоту обладают лишь волны светового и инфракрасного диапазона с длиной волны от 0,4 до 40 мкм (световой диапазон 0,4-0,8 мкм, инфракрасный диапазон 0,8-800 мкм).
Излучение всех тел зависит от температуры. Зависимость интенсивности и передачи теплоты от температуры при излучении значительно большая, чем при теплопроводности и конвекции. Поэтому при относительно низких температурах главную роль играет конвективный теплообмен, а при высоких - теплообмен излучением.
При расчетах излучения используются понятия: лучистый поток Q, Вт, излучательная способность тела или поверхностная плотность излучения Е, Вт/м2, интенсивность излучения (или спектральная плотность излучения) I, Вт/м3.
Полным (интегральным) лучистым потоком Q, Вт, называется полное количество энергий, излучаемое поверхностью F в единицу времени во всем интервале длин волн спектра по всем направлениям полусферического пространства. Излучение, соответствующее узкому интервалу длин волн, называется монохроматическим.
Поверхностной плотностью излучения или излучательной способностьютела Е, Вт/м, называется количество энергии, излучаемое единицей поверхности тела в единицу времени:
Интенсивность излучения I, Вт/м3, представляет собой излучательную способность тела в интервале длин волн от λ до λ+dλ, отнесенную к величине этого интервала dλ, т.е
Пусть на какое-то тело падает интегральный лучистый поток (рис.17). В общем случае часть этого потока Qa будет поглощаться телом, часть QR - отражаться и часть QD – проходить сквозь тело:
Q = Qa+QR +Q<последнее выражение на Q и обозначив Qa/Q=А, QR/Q=R, QD/Q=D, запишем A+D+R=1 (124)
где A - коэффициент поглощения или поглощательная способность тела;
R - коэффициент отражения;
D - коэффициент пропускания.
Эти коэффициенты могут для различных тел меняться от 0 до 1.
Рис. 17. Составляющие
лучистого потока.
Если A = I (R=D=0), тo вся падающая лучистая энергия поглощается телом и оно называется абсолютно черным.
Если R = I (A=D=0), то тело отражает всю лучистую энергию. Если при этом отражение происходит по законам геометрической оптики, то такое тело называют зеркальным, если же отражение рассеянное (диффузное) - абсолютно белым.
Если D=I (А=R=0), т.е. тело пропускает всю лучистую энергию, оно называется абсолютно прозрачным или диатермичным.
Большинство твердых и жидких тел для тепловых лучей практически непрозрачны (атермичны), т.е. них D=0 и уравнение (123) принимает вид:
A+R=1 (125)
Как известно из оптики, излучательная и поглощательная способность тела в световой части спектра определяется главным образом цветом его поверхности. Для поглощения и отражения тепловых (инфракрасных) лучей основное значение имеет не цвет, а шероховатость поверхности. Чем больше шероховатость, тем больше энергии тело поглощает и излучает в инфракрасной части спектра. Поэтому, если необходимо какое-либо тело защитить от воздействия излучения, его поверхность выполняют не только белой, но и предельно гладкой.