Излучение твердых тел является поверхностным, а излучение газов - объемным.

Теплообмен излучением между двумя плоскими параллельными серыми поверхностями твердых тел с температурами Т 0 1 абс и Т 0 2 абс (Т 1 > Т 2) подсчитывается по формуле

С пр - приведенный коэффициент излучения;

С 1 - коэффициент излучения поверхности первого тела;

С 2 - коэффициент излучения поверхности второго тела;

С s = 4,9 ккал/м 2 час град 1 - коэффициент излучения абсолютно черного тела.

В практических расчетах удобнее пользоваться так называемой степенью черноты

=.

Приведенная степень черноты

В том случае, когда первое тело с поверхностью F 1 со всех

сторон окружено поверхностью F 2 второго тела, количество переданного тепла определяется по формуле

Приведенный коэффициент излучения и приведенная степень черноты определяются по формулам

В том случае, когда F 2 >F 1 , т. е.

C пр =С 1 и пр = 1 .

В целях уменьшения потери тепла за счет излучения применяют так называемые экраны. Экран представляет собой тонкостенный лист, закрывающий излучающую поверхность и расположенный на небольшом расстоянии от последней. В первом приближении конвективный теплообмен через воздушную прослойку между экраном и излучающей поверхностью не учитывают. Также всегда пренебрегают термическим сопротивлением стенки самого экрана, т. е. температуры на его поверхностях считают одинаковыми.

При плоских параллельных экранах используется формула теплообмена излучением с заменой пр так называемой эквивалентной степенью черноты

где 12 , 23 и т. д. - определяемая по формуле для пр, приведенная степень черноты при теплообмене излучением между 1-й и 2-й поверхностью, между 2-й и 3-й поверхностью и т. д.

При экранировании цилиндрических тел (труб) эквивалентная степень черноты

Количество переданного тепла Qвычисляется по формуле

Излучение газов

Излучающими газами являются трехатомные и многоатомные газы. Наибольший практический интерес представляет излучение

СО 2 и Н 2 О.

Излучение газов селективное и зависит от величины и формы газового объема.

Количество тепла, переданное путем излучения от газового объема, компонентами которого являются СО 2 и Н 2 О, к окружающей оболочке, обладающей свойствами серого тела, определяется по формуле

где T газ - абсолютная температура излучающего газового объема;

T ст - абсолютная температура окружающей оболочки;

= 0,5 (+ 1) - эффективная степень черноты оболочки (приот 0,8 до 1,0);

=
+
- степень черноты газа, определяемая по графикам рис. 85 и 86 по средней температуре газа;

- степень черноты газа, определяемая по тем же графикам, но по температуреt ст оболочки;

β-поправка на парциальное давление водяного пара, определяемая по графику рис. 87.

Степень черноты углекислоты
и водяного пара
зависит от температуры газового объема и эффективной толщины излучающего слоя рs, где р ата - парциальное давление излучающего компонента иsм - приведенная длина луча.

Приведенная длина луча приближенно может быть определена по формуле

где Vм 3 - объем, заполненный излучающим газом (излучающий объем);

Fм 2 - поверхность оболочки.

Для отдельных частных случаев приведенная длина луча определяется по следующим формулам:

для объема газа в междутрубном пространстве (s 1 - продольный шаг, т. е. расстояние между осями труб в ряду;s 2 - поперечный шаг, т. е. шаг между рядами;d- диаметр труб)

для плоскопараллельного газового слоя бесконечной протяженности толщиной

s= 1,8;

для цилиндра диаметром d

Иногда вводят понятие о коэффициенте теплоотдачи излучением α л ккал/м 2 час град. Этот коэффициент определяется по формуле

Пример . Определить количество тепла, переданное излучением от накаленной стальной плиты, температура поверхности которойt 1 = 1027° С, на другую такую же плиту, температура поверхности которойt 2 = 27° С, расположенную параллельно первой.

Ре ш е н и е. Из приложения 20 находим степень черноты стальной плиты (окисленной):
. Определяем приведенную

степень черноты по формуле

Количество переданного тепла

Пример . Стальной паропровод диаметром 300 мм, температура наружной стенки которогоt 1 = 300° С, проложен в помещении. В целях уменьшения потерь тепла паропровод закрыт двойным цилиндрическим кожухом (экраном). Первый кожух диаметром 320 мм выполнен из тонких стальных листов (= 0,82), второй кожух диаметром 340 мм выполнен из тонких алюминиевых листов (= 0,055). Определить потерю тепла на 1 пог. м голого и экранированного паропровода, а также температуру алюминиевого кожуха. Конвективным теплообменом пренебречь. Температура в помещении равна 25° С.

Р е ш е н и е. Определим потерю тепла голым паропроводом, считая, что поверхность паропровода F 1 во много раз меньше поверхности стенок помещенияF 4 . ПриF 1 <

пр = 1 = 0.80

(для окисленной стали).

По формуле

Теперь определим потерю тепла при наличии экранов. Определяем приведенные коэффициенты черноты:

Эквивалентная степень черноты

Количество тепла, переданного излучением

Таким образом, в результате постановки экранов потеря тепла уменьшилась в

Для определения температуры алюминиевого листа составим уравнение

Решая это уравнение, находим

Пример . Для измерения температуры потока горячего воздуха, протекающего по каналу, использована термопара. Между спаем термопары и стенками канала (рис. 88) возникает лучистый теплообмен, который искажает показания термопары. Для уменьшения погрешности при измерении температуры термопара закрывается экранной трубкой 1. Найти действительную температуру воздушного потока, если термопара показывает температуруt= 200° С. Температура внутренней стенки каналаt ст = 100° С. Степень черноты экрана и спая термопары одинаковы и равны 0,8. Коэффициент теплоотдачи от воздуха к спаю термопарыα= 40 ккал/м 2 час град, а к поверхности экранаα= 10 ккал/м 2 час град.

Р е ш е н и е. Обозначим действительную

(искомую) температуру воздуха t в.

Температура, определяемая по

термопаре, является температурой

ее спая t.

Составим уравнение теплового баланса спая термопары. Количество тепла, полученное спаем за счет конвекции, равно

а количество тепла, отданное излучением от поверхности Fспая к поверхностиF э окружающей спай термопары экранной трубки,

где Т э - абсолютная температура внутренней поверхности экранной трубки.

Учитывая, что F э >>F, получим
.

При стационарном режиме баланс тепла для спая термопары будет выражаться уравнением

Теперь составим баланс тепла для экранной трубки, пренебрегая термическим сопротивлением самой трубки. Приход тепла за счет конвекции

Приход тепла за счет излучения спая термопары, очевидно, равен теплу

которое, в свою очередь, равно

Расход тепла за счет излучения наружной поверхности экранной трубки на окружающие стенки канала

и так как в данном случае F ст >>F э, то
. Таким образом, тепловой баланс экранной трубки выражается уравнением

Обычно в этом уравнении пренебрегают первым членом в левой

части (в силу F э >>F). Тогда

Совместное решение уравнений позволяет определить искомую

Температуру t в

Полученные уравнения решаем графически, вычисляя по ним

Температуру t в в зависимости отt э. Точка пересечения соответствующих кривых (рис. 89) определяет температуруt в:

Ошибка в определении температуры при помощи термопары

Пример . Определить количество тепла, переданное излучением стальным трубам, расположенным в газоходе водотрубного парового котла. Парциальные давления углекислоты в водяных паров в дымовых газах равны соответственноp С O 2 = 0,15 ата иp H 2 O = 0,075 ата. Наружный диаметр трубd= 51 мм; их продольный шагs 1 = 90 мм и поперечный шагs 2 =70 мм. Температура газов

н
а входе в газоходt / =1000 0 С, а на выходе из газоходаt // =800 0 C. Температура наружной

поверхности труб постоянна

и равна t ст =230 0 С.

Р е ш е н и е. Предварительно

определяем среднюю температуру

потока газов, которую принимаем

равной расчетной температуре t газ.

Соответствующие эффективные толщины слоя

По графикам рис. 85 и 86 находим

Поправка βна парциальное давление водяных паров (по рис. 87)β=1,06.

По формуле

Коэффициент теплоотдачи излучением

Пример . В цилиндрической стальной трубе с внутренним диаметромd= 0,25 м движется смесь газов. Средняя температура газовt газ = 1100 0 С. Парциальное давление углекислоты

= 0,45 ата. Температура стенкиt ст = 300 0 С. Определить количество тепла, переданное излучением на 1 пог. м трубы.

Р е ш е н и е. Приведенная длина луча

S=0,9d=0,9·0,25=0,225 м.

Эффективная толщина излучающего слоя

s
=0,225·0,45=0,101 м ата.

По рис. 85 определяем при t= 1100° С
=0,10: приt= 300 0 С
= 0,095. Поскольку в смеси отсутствует водяной пар, то газ = 0,10 и
= 0,095.

По формуле

На 1 пог. м

Задачи

453. Определить количество тепла, излучаемое стальной плитой при температуре t 1 = 600 0 С на латунный лист такого же размера при температуреt 2 = 27 0 С, расположенный параллельно плите. Определить также коэффициент теплоотдачи излучением.

Ответ: q 12 =5840 ккал/м 2 час;α л = 10,2 ккал/м 2 час град.

454. Между двумя параллельными плоскостями происходит лучистый теплообмен. Поверхность, имеющая температуру t 1 =

600° С и степень черноты =0,64, излучает тепло в количестве

q 12 = 1000 ккал/м 2 час. Определить температуру тепловоспринимающей алюминиевой шероховатой поверхности (= 0,055).

Ответ: t 2 =390 0 С.

455. Определить количество тепла q 12 ккал/м 2 час, излучаемое поверхностью плоской стенки на другую параллельно расположенную плоскую стенку. Температуры стенок соответственно равныt 1 = 227° С иt 2 =27 0 С. Определение произвести для четырех вариантов:

а) С 1 = С 2 =С s = 4,9 ккал/м 2 час град 4 (абсолютно черные поверхности);

б) С 1 = С 2 = 4,3 ккал/м 2 час град 4 (стальные матовые поверхности);

в) С 1 = 4,3 ккал/м 2 час град 4 (стальная матовая поверхность),

С 2 = 0,3 ккал/м 2 час град 4 (белая жесть);

г) С 1 = С 2 = 0,3 ккал/м 2 час град 4 (белая жесть).

Ответ: а) q 12 =2660 ккал/м 2 час; 6)q 12 =2080 ккал/м 2 час;

в) q 12 = 160 ккал/м 2 час; г)q 12 = 84 ккал/м 2 час.

456. Стальная труба диаметром d= 200 мм и длиной 1 = 5 м находится в кирпичном помещении, ширина которого а = 8 м и высотаh= 5 м. Определить для трубы потерю тепла излучением, если температура поверхности трубыt 1 = 327° С, а температура поверхности стен помещенияt 2 = 27° С.

Ответ: Q 12 =14950 ккал/час.

457. Решить предыдущую задачу при условии, что а) стальная труба находится в кирпичном коридоре сечением 2 х 1 м и б) стальная труба находится в кирпичном канале сечением 350 х 350 мм. Температура стенок в том и в другом случае t 2 = 27° С. Результаты сравнить с ответом предыдущей задачи.

Ответ: а) Q 12 =14900 ккал/час; б)Q 12 = 14500 ккал/час.

458. Определить потерю тепла за счет излучения одним пог. м стального паропровода. Наружный диаметр паропровода равен d= 0,2 м, температура его поверхностиt 1 = 310 0 С, а температура

окружающего воздуха t 2 = 50 0 С. Результаты решения сравнить с ответом задачи 442.

Ответ: q= 2575 ккал/пог. м час; потеря тепла за счет излучения больше, чем потеря тепла путем конвективного теплообмена, в 2,36 раза.

459. Чугунная топочная дверца размером 500 х 400 мм парового котла имеет температуру t 1 = 540° С (= 0,64). Определить количество излучаемого тепла, если температура в котельном отделенииt 2 = 35° С. Определить также коэффициент теплоотдачи излучением.

Ответ: Q=2680 ккал/час;α л =2б,5 ккал/м 2 час град.

460. Определить теплоотдачу излучением между стальными матовыми параллельными поверхностями (см. задачу 455 6), если между ними поместить экран в виде тонкого стального листа с таким же коэффициентом излучения.

Ответ: q 12 = 1040 ккал/м 2 час.

461. Решить задачу 460 при условии, что между стальными поверхностями помещен экран, состоящий из четырех стальных тонких листов с таким же коэффициентом излучения.

Ответ: q 12 =416 ккал/м 2 час.

462. Решить задачу 455 6 при условии, что между стальными поверхностями размещен экран из белой жести. Результат решения сравнить с ответом задачи 455 6.

Ответ: q 12 =81 ккал/м 2 час, т. е. количество переданного тепла уменьшается примерно в 25 раз.

463. Решить задачу 455 6 при условии, что между стальными поверхностями размещен экран, состоящий из двух листов белой жести.

Ответ: q 12 = 41,5 ккал/м 2 час.

464. Топка парового котла заполнена пламенным факелом, имеющим условную температуру t 1 = 1000 0 С и условную степень черноты= 0,3. Определить количество тепла, излучаемого через шуровочное отверстие топки, закрытое чугунной дверцей (=0,78) а также температуру самой дверцы, если температура в котельном отделенииt 2 = 30 0 С (чугунную дверцу можно рассматривать как плоский экран между факелом и окружающей средой). Степень черноты окружающей среды принять равной 1,0.

Ответ: q=25530 ккал/м 2 час;t дв =б5б° С.

465. Решить предыдущую задачу при условии, что чугунная дверца снабжена чугунным отражателем, расположенным со стороны топки (такой отражатель можно рассматривать как экран).

Ответ: q=19890 ккал/м 2 час;t дв = 580° С.

466. Решить пример на стр. 225 при условии, что спай термопары не защищен экранной трубкой.

Ответ: t в =230 0 С; ошибка в определении температуры составляет 13%.

467. Решить задачу 458 при условии, что паропровод окружен экраном из листовой стали (= 0,82). Диаметр экранаd э = 0,3 м. Между паропроводом и стальным экраном находится воздух. При определении потери тепла за счет излучения конвективный теплообмен между экраном и воздухом не принимать во внимание. Определить также температуру экрана. Результаты сравнить с ответом задачи 458. Ответ:q= 1458 ккал/пог. м час;t э =199° С.

468. Решить предыдущую задачу с учетом конвективного теплообмена между экраном и воздухом, принимая коэффициент теплоотдачи равным α э = 20 ккал/м 2 час град. Результат сравнить с ответом задач 458 и 467.

Ответ:q= 1890 ккал/пог. м час;t э = 126° С.

У к а з а н и е. При решении задачи 468 необходимо составить

уравнение баланса тепла.

469. Паропровод диаметром d= 0,2 м (указанный в задаче 458) покрыт тепловой изоляцией, состоящей из 5 экранов из алюминиевой фольги (= 0,055). Расстояние между слоями фольги равно= 5 мм. Определить, во сколько раз потеря тепла излучением изолированного паропровода меньше, чем потеря тепла неизолированного паропровода. Ответ: В 127 раз меньше.

470. Определить коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием от дымовых газов к стенкам водогрейных труб парового котла. Наружный диаметр труб d= 44,5 мм, продольный шаг труб в ряду

s 1 = 135 мм, а поперечный шагs 2 = 90 мм. Температура газов на входе в газоходt / = 900 0 С, а на выходеt // = 700° С. Температура поверхности стенок трубt ст = 300° С. Парциальные давления трехатомных газов равны:
= 0,18 ата и
= 0,08 ата.

Ответ: α л 12,8 ккал/м 2 час град.

471. Решить предыдущую задачу при условии, что шаги труб уменьшены до s 1 = 81 мм иs 2 = 65 мм, а остальные исходные данные оставлены без изменения. Ответ:α л =8 ккал/м 2 час град.

472. В узком канале сечением 820 х 20 мм движется смесь газов следующего состава (по объему): N 2 = 73%; О 2 = 2%; СО 2 = 15%;H 2 O= 10%. Средняя температура смеси газовt газ = 900° С, давление смеси р = 1 ата. Стенки канала выполнены из листовой стали. Температура на поверхности стенок каналаt ст = 100° С. Определить количество тепла, переданное от газов к стенкам канала излучением. Ответ:q=4000 ккал/м 2 час.

Лучистый теплообмен между телами в прозрачной среде (приведенная степень черноты системы, расчет теплообмена, методы уменьшения или повышения интенсивности теплообмена).

Экраны

В различных областях техники довольно часто встречаются случаи, когда требуется уменьшить передачу теплоты излучением. Например, нужно оградить рабочих от действия тепловых лучей в цехах, где имеются поверхности с высокими температурами. В других случаях необходимо оградить деревянные части зданий от.лучистом энергии в целях предотвращения воспламенения; следует защищать от лучистой энергии термометры, так как в противном случае они дают неверные показания. Поэтому всегда, когда необ­ходимо уменьшить передачу теплоты излучением, прибегают к ус­тановке экранов. Обычно экран представляет собой тонкий метал­лический лист с большой отражательной способностью. Температу­ры обеих поверхностей экрана можно считать одинаковыми.

Рассмотрим действие экрана между двумя плоскими безгранич­ными параллельными поверхностями, причем передачей теплоты конвекцией будем пренебрегать. Поверхности стенок и экрана счи­таем одинаковыми. Температуры стенок T 1 и Т 2 поддерживаются постоянными, причем T 1 >T 2 . Допускаем, что коэффициенты луче­испускания стенок и экрана равны между собой. Тогда приведенные коэффициенты излучения между поверхностями без экрана, между первой поверхностью и экраном, экраном и второй поверхностью равны между собой.

Тепловой поток, передаваемый от первой поверхности ко второй (без экрана), определяем из уравнения

Тепловой поток, передаваемый от первой поверхности к экрану, находим по формуле

а от экрана ко второй поверхности по уравнению

При установившемся тепловом состоянии q 1 = q 2 , поэтому

откуда

Подставляя полученную температуру экрана в любое из уравнений, получаем

Сравнивая первое и последнее уравнения, находим, что установ­ка одного экрана при принятых условиях уменьшает теплоотдачу излучением в два раза:

(29-19)

Можно доказать, что установка двух экранов уменьшает теплоотдачу втрое, установка трех экранов уменьшает теплоотдачу вчет­веро и т. д. Значительный эффект уменьшения теплообмена излуче­нием получается при применении экрана из полированного металла, тогда

(29-20)

где С" пр - приведенный коэффициент излучения между поверх­ностью и экраном;

С пр - приведенный коэффициент излучения между поверх­ностями.

Излучение газов

Излучение газообразных тел резко отличается от излучения твердых тел. Одноатомные и двухатомные газы обладают ничтожно малой излучательной и поглощательной способностью. Эти газы считаются прозрачными для тепловых лучей. Газы трехатомные (СО 2 и Н 2 О и др.) и многоатомные уже обладают значительной излучателыюй, а следовательно, и поглощательной способностью. При высокой температуре излучение трехатомных газов, образую­щихся при сгорании топлив, имеет большое значение для работы теплообменных устройств. Спектры излучения трехатомных газов, в отличие от излучения серых тел, имеют резко выраженный селек­тивный (избирательный) характер. Эти газы поглощают и излучают лучистую энергию только в определенных интервалах длин волн, расположенных в различных частях спектра (рис. 29-6). Для лучей с другими длинами волн эти газы прозрачны. Когда луч встречает

на своем пути слой газа, способного к поглощению луча с данной длиной волны, то этот луч частично поглощается, частично проходит через толщу газа и выходит с другой стороны слоя с интенсивностью, меньшей, чем при входе. Слой очень большой толщины можег прак­тически поглотить луч целиком. Кроме того, поглощательная спо­собность газа зависит от его парциального давления или числа моле­кул и температуры. Излучение и поглощение лучистой энергии в га­зах происходит по всему объему.

Коэффициент поглощения газа может быть определен следующей зависимостью:

или общим уравнением

Толщина слоя газа s зависит от формы тела и определяется как средняя длина луча по эмпирической табл.

Давление продуктов сгорания обычно принимают равным 1 бар, поэтому парциальные давления трехатомпых газов в смеси определяют по уравнениям р со2 , = r со2 , и P H 2 O =r H 2 O , где r - объемная доля газа.

Средняя температура стенки- подсчитывается по уравнению

(29-21).

где T" ст - температура стенки канала у входа газа; Т"" c т - температура стенки канала у выхода газа.

Средняя температура газа определяется по формуле

(29-22)

где Т" г - температура газа у входа в канал;

Т"" р - температура газа у выхода из канала;

знак «плюс» берется в случае охлаждения, а «минус» - в слу­чае нагревания газа в канале.

Расчет теплообмена излучением между газом и стенками канала очень сложен и выполняется с помощью целого ряда графиков и таблиц. Более простой и вполне надежный метод расчета разработан Шаком, который предлагает следующие уравнения, определяющие излучение газов в среду с температурой О°К:

(29-23)

(29-24)где р - парциальное давление газа, бар; s - средняя толщина слоя газа, м, Т - средняя температура газов и стенки, °К. Анализ приведенных уравнений показывает, что излучательная способность газов не подчиняется закону Стефана - Больцмана. Излучение водяного пара пропорциональна Т 3 , а излучение угле­кислого газа - Г 3 " 5 .

Закон Планка. Интенсивности излучения абсолютно черного тела I sl и любого реального тела I l зависят от и длины волны.

Абсолютно черное тело при данной испускает лучи всех длин волн отl = 0 до l = ¥ . Если каким-либо образом отделить лучи с разными длинами волн друг от друга и измерить энергию каждого луча, то окажется, что распределение энергии вдоль спектра различно.

По мере увеличения длины волны энергия лучей возрастает, при некоторой длине волны достигает максимума, затем убывает. Кроме того, для луча одной и той же длины волны энергия его увеличивается с возрастанием тела, испускающего лучи (рис.11.1).

Планк установил следующий закон изменения интенсивности излучения абсолютно черного тела в зависимости от и длины волны:

I sl = с 1 l -5 / (е с/(l Т) – 1) , (11.5)

Подставляя в уравнение (11.7) закон Планка и интегрируя от от l = 0 до l = ¥ , найдем, что интегральное излучение (тепловой поток) абсолютно черного тела прямо пропорционально четвертой степени его абсолютной (закон Стефана-Больцмана).

E s = С s (Т/100) 4 , (11.8)

где С s = 5,67 Вт/(м 2 *К 4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела

Отмечая на рис.11.1 количество энергии, отвечающей световой части спектра (0,4-0,8 мк), нетрудно заметить, что оно для невысоких очень мало по сравнению с энергией интегрального излучения. Только при солнца ~ 6000К энергия световых лучей составляет около 50% от всей энергии черного излучения.

Все реальные тела, используемые в технике, не являются абсолютно черными и при одной и той же излучают меньше энергии, чем абсолютно черное тело. Излучение реальных тел также зависит от и длины волны. Чтобы законы излучения черного тела можно было применить для реальных тел, вводится понятие о теле и излучении. Под излучением понимают такое, которое аналогично излучению черного тела имеет сплошной спектр, но интенсивность лучей для каждой длины волны I l при любой составляет неизменную долю от интенсивности излучения черного тела I sl , т.е. существует отношение:

I l / I sl = e = const. (11.9)

Величину e называют степенью черноты. Она зависит от физических свойств тела. Степень черноты тел всегда меньше единицы.

Закон Кирхгофа. Для всякого тела излучательная и поглощательная способности зависят от и длины волны. Различные тела имеют различные значения Е и А. Зависимость между ними устанавливается законом Кирхгофа:

Е = Е s *А или Е /А = Е s = Е s /А s = С s *(Т/100) 4 . (11.11)

Отношение лучеиспускательной способности тела (Е) к его погло-щательной способности (А) одинаково для всех тел, находящихся при одинаковых и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же .

Из закона Кирхгофа следует, что если тело обладает малой поглощательной способностью, то оно одновременно обладает и малой лучеиспускательной способностью (полированные ). Абсолютно черное тело, обладающее максимальной поглощательной способностью, имеет и наибольшую излучательную способность.

Закон Кирхгофа остается справедливым и для монохроматического излучения. Отношение интенсивности излучения тела при определенной длине волны к его поглощательной способности при той же длине волны для всех тел одно и то же, если они находятся при одинаковых , и численно равно интенсивности излучения абсолютно черного тела при той же длине волны и , т.е. является функцией только длины волны и :

Е l / А l = I l / А l = Е sl = I sl = f (l ,T). (11.12)

Поэтому тело, которое излучает энергию при какой-нибудь длине волны, способно поглощать ее при этой же длине волны. Если тело не поглощает энергию в какой-то части спектра, то оно в этой части спектра и не излучает.

Из закона Кирхгофа также следует, что степень черноты тела е при одной и той же численно равно коэффициенту поглощения А:

e = I l / I sl = Е/ Е sl = C / C sl = А. (11.13)

Закон Ламберта. Излучаемая телом лучистая энергия распространяется в пространстве по различным направлениям с различной интенсивностью. Закон, устанавливающий зависимость интенсивности излучения от направления, называется законом Ламберта.

Закон Ламберта устанавливает, что количество лучистой энергии, излучаемое элементом поверхности dF 1 в направлении элемента dF 2 , пропорционально произведению количества энергии, излучаемой по нормали dQ n , на величину пространственного угла dщ и cosц, составленного направлением излучения с нормалью (рис.11.2):

d 2 Q n = dQ n *dw *cosj . (11.14)

Следовательно, наибольшее количество лучистой энергии излучается в перпендикулярном направлении к поверхности излучения, т. е. при (j = 0). С увеличением j количество лучистой энергии уменьшается и при j = 90° равно нулю. Закон Ламберта полностью справедлив для абсолютно черного тела и для тел, обладающих диффузным излучением при j = 0 - 60°.

Для полированных поверхностей закон Ламберта неприменим. Для них лучеиспускание при j будет большим, чем в направлении, нормальном к поверхности.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ И СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ТЕЛА

Тепловое излучение представляет собой процесс переноса тепловой энергии посредством электромагнитных волн. Количество тепла, передаваемого излучением, зависит от свойства излучающего тела и его температуры и не зависит от температуры окружающих тел.

В общем случае тепловой поток, попадающий на тело, частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело (рис. 5.2).

Q = Q А + Q R + Q D ,

Рис. 5.2. Схема распределения лучистой энергии

где Q – тепловой поток, падающий на тело;

Q А – количество тепла, поглощаемое телом,

Q R – количество тепла, отражаемое телом,

Q D – количество тепла, проходящего сквозь тело.

Делим правую и левую части на тепловой поток:

Величины A , R , D , называются соответственно: поглощательной, отражательной и пропускательной способностью тела.

Если R =D=0, то A =1, т.е. весь тепловой поток, падающий на тело, поглощается. Такое тело называется абсолютно черным.

Тела, у которых A =D =0, R =1, т.е. весь тепловой поток, падающий на тело, отражается от него, называются белыми . При этом, если отражение от поверхности подчиняется законам оптики тела называют зеркальными - если отражение диффузное - абсолютно белыми.

Тела, у которых A =R =0 и D =1, т.е. весь поток, падающий на тело, проходит сквозь него, называются диатермичными или абсолютно прозрачными.

Абсолютных тел в природе не существует, однако понятие о таких телах очень полезно, особенно об абсолютно черном теле, так как законы, управляющие его излучением, особенно просты, потому что никакое излучение не отражается от его поверхности.

Кроме того, понятие абсолютно черного тела дает возможность доказать, что в природе не существует таких тел, которые излучают больше тепла, чем черные. Например, в соответствии с законом Кирхгофа отношение излучательной способности тела Е и его поглощательной способности А одинаково для всех тел и зависит только от температуры, для всех тел, включая и абсолютно черное, при данной температуре:

.

Так как поглощательная способность абсолютно черного тела A o =1, а A 1 и A 2 и т.д. всегда меньше 1, то из закона Кирхгофа следует, что предельной излучательной способностью E o обладает абсолютно черное тело. Поскольку в природе абсолютно черных тел нет, вводится понятие серого тела, его степени черноты e , представляющее собой отношение излучательной способности серого и абсолютно черного тела:

Следуя закону Кирхгофа и учитывая, что A o =1, можно записать , откуда A =e , т.е. степень черноты характеризует как относительную излучательную, так и поглощательную способность тела. Основным законом излучения, отражающего зависимость интенсивности излучения E o , отнесенную к этому диапазону длин волн (монохроматическое излучение), является закон Планка.

,

где l - длина волн, [м];

С 1 =3,74×10 -6 вт×м 2 , С 2 =1,4338×10 -2 м ×K;

C 1 и С 2 – первая и вторая постоянные Планка.

На рис. 5.3 это уравнение представлено графически.

Рис. 5.3. Графическое представление закона Планка

Как видно из графика, абсолютно черное тело излучает при любой температуре в широком диапазоне длин волн. С возрастанием температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону более коротких волн. Это явление описывается законом Вина:

l max T =2,898×10 -3 м ×K,

где l max – длина волны, соответствующая максимуму интенсивности излучения.

При значениях lT >>С 2 вместо закона Планка можно применять закон Релея-Джинса, который носит кроме того название «закон длинноволнового излучения»:

Интенсивность излучения, отнесенная ко всему интервалу длин волн от l=0 до l =(интегральное излучение), можно определить из закона Планка путем интегрирования:

где С o =5,67 Вт/(м 2 ×K 4) – коэффициент абсолютно черного тела. Выражение (5.9) носит название закона Стефана-Больцмана, который был установлен Больцманом. Для серых тел закон Стефана-Больцмана записывают в виде

. (5.10)

С =С o e - излучательная способность серого тела. Теплообмен излучением между двумя поверхностями определяется на основании закона Стефана-Больцмана и имеет вид

, (5.11)

где e ПР – приведенная степень черноты двух тел с поверхностями Н 1 и Н 2 ;

. (5.12)

Если Н 1 <<Н 2 то приведенная степень черноты становится равной степени черноты поверхности Н 1 , т.е. e ПР =e 1 . Это обстоятельство положено в основу метода определения излучательной способности и степени черноты серых тел, имеющих незначительные размеры по сравнению с телами, обменивающимися между собой лучистой энергией

. (5.13)

Как видно из формулы (5.13), для определения степени черноты и излучательной способности С серого тела необходимо знать температуру поверхности T W испытуемого тела, температуру T f окружающей среды и лучистый тепловой поток с поверхности тела Q И . Температуры T W и T f могут быть замерены известными способами, а лучистый тепловой поток определяется из следующих соображений:

Распространение тепла с поверхности тел в окружающее пространство происходит посредством излучения и теплоотдачи при свободной конвекции. Полный поток Q с поверхности, тела, таким образом, будет равен:

Q = Q Л + Q К, откуда Q Л = Q - Q K ; (5.14)

Q K – конвективная составляющая теплового потока, которая может быть определена по закону Ньютона:

Q K = a K H (t w - t f ) (5.15)

В свою очередь, коэффициент теплоотдачи a К может быть определен из выражения (см. работу №3):

a К = Nu f a f /d (5.16)

где Nu f = c (Gr f Pr f ) n . (5.17)

Определяющей температурой в этих выражениях является температура окружающей среды t f .

5.5.4. Схема экспериментальной установки

Экспериментальная установка, принципиальная схема которой изображена на рис. 4, предназначена для определения степени черноты двух тел - меди и алюминия. Исследуемые тела представляют собой медную (9) и алюминиевую (10) трубки (элементы №1 и 2) диаметром d 1 =18мм и d 2 =20мм длиной L =460мм, расположенные горизонтально. Внутри трубок размещены электронагреватели 11 из нихромовой проволоки, служащие источником тепла. Тепловой поток распределяется равномерно по длине трубы. При стационарном режиме все тепло, выделяемое электронагревателем, передается через поверхность трубы в окружающую среду. Полная теплоотдача Q с поверхности трубы определяется по расходу электроэнергии. Потребляемая мощность электроэнергии регулируется автотрансформатором и измеряется амперметром и вольтметром или ваттметром.

Рис. 5.4. Схема экспериментальной установки

Для уменьшения потерь тепла с торцов трубок располагают теплоизолирующие заглушки (12). Для измерения температуры поверхности в стенках каждой из трубок заложено по 5 – медь-константовых термопар (№№ 1-5 первая труба и №№ 7-11 вторая труба). Термопары поочередно подключаются к измерительному прибору (13) при помощи переключателя (14).

5.5.5. Порядок проведения опытов и обработка результатов

Прежде чем приступить к выполнению лабораторной работы, необходимо познакомиться с теоретическим материалом и устройством установки. Работа проводится на двух режимах.

Таблица 5.2

Расчетная таблица к работе № 2

№ п/п	Наименование величины	Определение величин и расчетные соотношения	Первый режим
Элемент 1	Элемент 2
1.	Критерий Грасгоффа
а.	Коэффициент объемного расширения
в.	Температурный напор	Dt = t w - t f
с.	Коэффициент кинематической вязкости воздуха	n f , м 2 /сек
2.	Критерий Нуссельта	Nu f = c (Сr f Pr f ) n
а.	Критерий Прандтля	Pr f
в.	Коэффициенты, выбираются из табл. 6.2. (см. работу № 3)	c
n
3.	Поверхность трубы
4.	Коэффициент теплоотдачи
а.	Коэффициент теплопроводности воздуха.	l f
5.	Конвективная составляющая теплового потока.
6.	Величина лучистого теплового потока
7.	Степень черноты
8.	Коэффициент излучения
9.	Среднее значение степени черноты

После снятия замеров на 1-ом режиме необходимо показать преподавателю журнал наблюдений, после чего установить 2-ой тепловой режим. Установившийся тепловой режим наступает приблизительно через 3-5 мин. при выполнении работы на ПЭВМ.

На каждом из режимов необходимо произвести с интервалом 2-3 мин. не менее 2-х замеров температуры на каждой из термопар и мощности по показаниям вольтметра и амперметра. Данные замеров занести в журнал наблюдений – табл. 5.1. Замеры производить только на установившемся режиме. Результаты расчетов свести в табл. 5.3. По полученным данным построить графики e = f (t ) для 2-х испытуемых материалов. Полученные данные сравнить со справочными (табл. 1 – приложения).

Физические параметры воздуха берутся из табл. 3 приложения при определяющей температуре t f .

Расчет работы ведется по табл. 5.2.

Таблица 5.3

Журнал наблюдений к работам № 2, 3, 4

	Режим 1
Элемент 1	Элемент 2
Номер замера
Напряжение U
Сила тока I
Тепловой поток Q =U ×I /2
Температуры поверхности труб
	Номер термопары
Эл. 1	Эл.2
Среднее значение температуры
Температура воздуха (показания ДТВ)

Плотность теплового потока при теплообмене между газом и твердой поверхностью рассчитывается по формуле:

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

Температура стенки (оболочки), К;

е пр - приведённая степень черноты материала поверхности газохода;

е г - степень черноты газовой смеси;

Приведённая к температуре стенки.

Приведенная степень черноты рассчитывается по формуле:

где ес - степень черноты материала стенки (берется из таблиц).

Определение степени черноты газа

Степень черноты газовой смеси рассчитывается по формуле:

где - поправочный коэффициент, учитывающий неподчинение излучения водяных паров закону Бугера-Бэра;

Поправка, учитывающая взаимное поглощение СО2 и H2O при совпадении полос излучения (обычно, поэтому в инженерных расчетах ею можно пренебречь).

Степень черноты и поглощательная способность компонентов газовой смеси определяются:

1) При помощи номограмм.

Степень черноты газа

Значения и в этом случае берутся по номограммам в зависимости от температуры газа и произведения парциального давления газа на среднюю длину пути луча.

Р - давление газа, атм;

Средняя температура газа, ?С;

Эффективная толщина излучающего слоя, м;

V - величина излучающего объема газа, м3;

Fc - площадь поверхности оболочки, м2;

- поправочный коэффициент.

Поправочный коэффициент в также находится по графикам в зависимости от (pН2О l) и pН2О.

Поглощательная способность газовой смеси рассчитывается по формуле

(3.3)

Поскольку значение поглощательной способности зависит от температуры стенки, то значения и в этом случае берутся по номограммам в зависимости от температуры стенки и произведения парциального давления газа на среднюю длину пути луча.

2) При помощи аналитических формул.

Степень черноты может быть найдена по следующей формуле

k - суммарный коэффициент ослабления лучей в смеси, определяемый эмпирической формулой

Для нахождения степени черноты в предыдущую формулу для определения коэффициента ослабления подставляется значение абсолютной температуры газа.

Поглощательная способность может быть найдена по следующей формуле

где - суммарный коэффициент ослабления;

для нахождения поглощательной способности используется значение абсолютной температуры сте нки.

Пример расчета

Вычислить плотность теплового потока, обусловленного излучением от дымовых газов к поверхности газохода сечением А х В = 500 х 1000 мм. Состав газа: содержание СО2=10%; содержание Н2О=5%; общее давление газа Р = 98,1 кПа (1 атм). Средняя температура газа в газоходе tг = 6500С. Средняя температура поверхности газохода = 4000С. Газоход изготовлен из латуни.

1. Вычисляем плотность теплового потока, обусловленного излучением, с использованием номограмм.

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Степень черноты латуни по справочным данным;

Приведённая степень черноты поверхности газохода; ;

Эффективная толщина излучающего слоя

Парциальные давления компонентов

Объёмная доля Н2О и СО2 в газе;

РСО2. = 0,1 . 60 = 6 см.атм.

РН2О. = 0,05 . 60 = 3 см.атм.

Поправочный коэффициент, учитывающий неподчинение поведения водяного пара закону Бугера-Бэра;

из графика.

По номограммам и температуре tг = 6500С

Степень черноты газа

По номограммам и температуре tс = 400 0С

Поглощательная способность газа

Результирующий тепловой поток

2. Вычисляем плотность теплового потока, обусловленного излучением, с использованием формул.

Суммарные коэффициенты ослабления

Степень черноты газа

Поглощательная способность газа

Результирующий тепловой поток

Примечание: результаты расчетов степени черноты и поглощательной способности газа двумя методами должны быть близки между собой.

Рис. 3.1.

Рис. 3.2. Степень черноты в зависимости от температуры для Н2О

Рис. 3.3. Значения поправки в, учитывающей влияние парциального давления Н2О на степень черноты

Тепловой расчёт экономайзера (пример расчета)

Расход, кг/с

Температура, оС

Скорость движения, м / с

Диаметр труб d 2 / d1,

Располо-жение

Относи-тельный шаг

Толщина слоя, мм

Ды-мо-вые

G 2

t 1 ”

д н

Алибаева

Змеевиковый экономайзер парового котла предназначен для подогрева питательной воды в количестве G2 от температуры t2" до t2"". Вода движется вверх по трубам диаметром d2/d1. Коэффициент теплопроводности материала стенки л. Средняя скорость движения воды щ2.

Дымовые газы (13% СО2 и 11% Н2О) движутся сверху вниз в межтрубном пространстве со средней скоростью в узком сечении трубного пучка щ1. Расход газов G1. Температура газов на входе в экономайзер t1", на выходе t1"". Задано расположение труб в пучке и относительные шаги: поперечный у1 = S1/d2 и продольный у2 = S2/d2. Со стороны газов поверхность труб покрыта слоем сажи толщиной дс, со стороны воды - слоем накипи толщиной дн. Коэффициенты теплопроводности принять: для сажи лс = 0,07 - 0,12 Вт/м·град, для накипи лн = 0,7 - 2,3 Вт/м·град.

1. Определяем диаметр трубы с учётом загрязнения её накипью с внутренней стороны и сажей с наружной стороны:

2. Уравнение теплового баланса

Считая, что потери теплоты по длине экономайзера равны 0, запишем уравнение теплового баланса:

Средняя температура воды:

При этой температуре определяем теплоемкость воды > Cр2= 4,3 кДж/кг·гр

Определяем тепловую нагрузку теплообменного аппарата (по теплоносителю, для которого заданы две температуры)

Принимаем приближенно теплоёмкость дымовых газов Ср1 и рассчитываем температуру газов на выходе

Средняя температура дымовых газов:

3. Определение среднего температурного напора

Разности температур:

Примечание: в случае, если tб tм 1,5 - определяется среднеарифметическое значение температурного напора.

4. Вычисление коэффициента теплоотдачи от стенки к воде Теплофизические параметры воды при температуре

следующие:

Число Рейнольдса для воды:

Режим течения турбулентный

Число Нуссельта:

Так как температура стенки неизвестна, то в первом приближении принимаем

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде

5. Вычисление коэффициента теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к стенке