Виды лучистых потоков

Основные положения лучистого теплообмена

Описание процесса

Процессы лучистого теплообмена получили широкое распространение в теплотехнике, ядерной энергетике, ракетостроении, металлургической промышленности и т. д.

Тепловое излучение представляет собой процесс распространения внутренней энергии излучающего тела путём электромагнитных волн. Электромагнитные колебания (волны) характеризуются длиной волны. Электромагнитными волнами называются электромагнитные возмущения, исходящие из излучающего тела и распространяющиеся в вакууме со скоростью света (3·10⁸м/с).

При поглощении электромагнитных волн какими-либо другими телами, они вновь превращаются в энергию теплового движения молекул. Излучение свойственно всем телам и каждое из них излучает и поглащает энергию непрерывно, если температура тела не равна 0К. С увеличением температуры энергия тела увеличивается, а, следовательно, увеличивается и его излучательная способность. При этом изменяется не только абсолютная величина этой энергии, но и спектральный состав, который зависит от длины волны.

Классификация электромагнитного излучения в зависимости от длины

волны

Космическое - 0,05·10^-9мм

γ-излучение – (0,05 - 0,1)·10^-9мм

Рентгеновское - 1·10^-9 - 2·10^-5мм

Ультрафиолетовое - 2·10^-5-0,4·10^-3мм

Видимое – (0,4 – 0,8)·10^-3мм

Тепловое – 0,8·10^-3 – 0,8мм

Радиоволны > 0,2мм

Природа теплового и светового излучения одна и та же, поэтому законы, установленные для светового излучения справедливы и для теплового излучения. Единство природы светового и теплового излучения позволяет изучать законы лучистого теплообмена на световых моделях, что упрощает проведение эксперимента.

Виды лучистых потоков

Тело излучает тепловую энергию в виде непрерывного (сплошного) или прерывистого спектра по длинам волн.

Энергия излучения, испускаемая произвольной поверхностью в единицу времени по всевозможным направлениям полупространства и соответствующая узкому интервалу длин волн называется потоком монохроматического излучения . Суммарное излучение с поверхности тела по всем длинам волн спектра называется интегральным потоком излучения Q.

Интегральный поток, испускаемый с единицы поверхности, носит название поверхностной плотности потока интегрального излучения, Вт/м²

,

где dQ –лучистый поток, излучаемый элементарной площадкой dF, Вт.

Лучистый поток со всей поверхности соответственно

.

Если плотность потока интегрального излучения для всех элементов поверхности излучающего тела одинакова, то

.

Отношение плотности лучистого потока, испускаемого в бесконечно малом интервале длин волн, к величине этого интервала длин волн называется спектральной плотностью потока излучения

.

К важным понятиям теории излучения относится интенсивность излучения. Интенсивностью излучения называется количество лучистой энергии, испускаемое в направлении угла в единицу времени элементарной площадкой в пределах единичного элементарного телесного угла, отнесенное к проекции этой площадки на плоскость, ортогональную к направлению излучения. Интенсивность излучения зависит от природы тела, его температуры, длины волны, состояния поверхности, а для газов еще от толщины слоя и давления.

Понятие интенсивности излучения может относится к отдельным видам излучения, рассматриваемым ниже.

Излучение, которое определяется природой данного тела и его температурой, называется собственным излучением (Q, E).

Обычно тело участвует в лучистом теплообмене с другими телами. Энергия излучения других тел, попадая на поверхность данного тела извне, частично поглощается, частично отражается, а часть ее проходит сквозь тело.

Количество лучистой энергии, падающее на данное тело, называется падающим потоком (Q_пад, E_пад).

Часть падающей энергии излучения, поглощенной данным телом, называется потоком поглощенного излучения (Q_погл, E_погл). При поглощении лучистая энергия вновь превращается во внутреннюю энергию

,

где А – коэффициент поглощения тела.

Тела, которые поглощают всю падающую на них энергию, называются абсолютно черными телами (А=1). Тела, для которых спектральная поглощательная способность не зависит от длины волны, называются серыми телами (А≤1).

Часть падающей энергии, которую поверхность данного тела отражает обратно окружающим телам, носит название отраженного излучения (Q_отр,E_отр)

.

При коэффициенте отражения R=1 тела называют зеркальными.

Часть падающей энергии излучения, проходящая сквозь тело, называется плотностью потока пропускаемого излучения (Q_проп,E_проп)

.

Тела, которые пропускают всю падающую на них энергию, ничего не поглощая и ничего не отражая, называются прозрачными (D=1).

Суммарная плотность потоков собственного и отраженного излучения, испускаемого поверхностью данного тела, называется плотностью эффективного излучения

.

Эффективное излучение зависит от физических свойств и температуры данного тела, от физических свойств и температуры окружающих его тел, от формы, размеров, относительного расположения тел в пространстве.

Совместные процессы взаимного испускания, поглощения, отражения и пропускания энергии излучения различных тел называются лучистым теплообменом. Лучистый теплообмен между телами определяется потоком результирующего излучения.

Результирующее излучение представляет собой разность между лучистым потоком, получаемым данным телом, и лучистым потоком, который оно посылает в окружающее пространство. Результирующий поток может быть определен различными способами в зависимости от расположения условной расчетной поверхности.

По первому способу (Нуссельт)

.

По второму способу (О.Е.Власов)

.

В общем случае (Ю.А.Суринов) определяется разностью встречных потоков излучения

.