Теплообмен излучением. 
Процессы и аппараты химической технологии.

Тепловое излучение есть результат превращения внутренней энергии тел в энергию электромагнитных колебаний. При попадании тепловых лучей (волн) на другое тело их энергия частично поглощается им, снова превращаясь во внутреннюю энергию. Так осуществляется лучистый теплообмен между телами.

Тепловое излучение как процесс распространения электромагнитных волн хара! сгеризуется длиной волны X, и частотой колебаний v = с/Х, где с — скорость света в вакууме (с = 3T0⁸ м/с).

Все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу, поэтому классификация излучения по длинам волн в зависимости от производимого ими эффекта носит лишь условный характер. В технике, основное количество энергии излучается при X = 0,8…80 мкм. Эти лучи принято называть тепловыми (инфракрасными). Большую длину имеют радиоволны, меньшую — волны видимого (светового, 0,4…0,8 мкм) и ультрафиолетового излучения.

Тепловой поток, излучаемый на всех длинах волн с единицы поверхности тела по всем направлениям, называется поверхностной плотностью потока интегрального излучения Е, Вт/м². Она определяется природой данного тела и его температурой. Это собственное излучение тела.

Часть энергии излучении Е_ПЛЛ, падающей на тело, поглощается (?д), часть отражается (Er) и часть проникает сквозь него (?*>), т. е.

Это уравнение теплового баланса можно записать в безразмерной форме:

Е E_r

Величина А = —— называется коэффициентом поглощения, R =;

" мщ -^пад.

• ?
• — коэффициентом отражения, D — —-— коэффициентом пропускания.
• ?пдд

Тело, поглощающее все падающее на него излучение, называется абсолютно черным. Для этого тела А = 1. Тела, для которых коэффициент А < 1 и не зависит от длины волны падающего излучения, называются серыми. Для абсолютно белого тела R = 1, для абсолютно прозрачного D= 1.

Если поверхность поглощает тепловые лучи, но не поглощает световые, она не кажется черной. Более того, наше зрение может воспринимать такую поверхность как белую, например снег, для которого А = 0,98. Стекло, прозрачное в видимой части спектра, почти не прозрачно для тепловых лучей (А = 0,94).

Твердые и жидкие тела большей частью излучают энергию всех длин волн в интервале от 0 до оо, т. е. имеют сплошной спектр излучения (хотя наибольшее количество энергии испускается в пределах от 0,8 до 80 мкм) длин волн. Чистые (неокисленные) металлы и газы характеризуются выборочным — селективным излучением, т. е. излучают энергию только определенных длин волн.

Для большинства твердых и жидких тел поглощение тепловых лучей завершается в тонком поверхностном слое, т. е. не зависит от толщины тела. Для этих тел тепловое излучение обычно рассматривается как поверхностное явление. В газе в силу значительно меньшей концентрации молекул процесс лучистого теплообмена носит объемный характер. Коэффициент поглощения газа зависит от размеров («толщины») газового объема и давления газа, т. е. концентрации поглощающих молекул.

Сумма потоков собственного и отраженного телом излучения называется его эффективным излучением'.

Суммарный процесс взаимного испукания, поглощения, отражения и пропускания энергии излучения в системах тел называется лучистым теплообменом.

Известно, что спектральная плотность потока излучения абсолютно черного тела /_{ох =} !^И (_в дальнейшем все характеристики абсолютно.

dA.

черного тела будем записывать с индексом «нуль»). Она характеризует интенсивность излучения на данной длине волны X/, имеет максимум при определенной длине волны Хм. Величина Хм связана с абсолютной температурой Т тела законом Вина:

Из этого выражения следует, что с ростом температуры максимум излучения смещается в сторону коротких волн. Так, в излучении с поверхности Солнца (Т ~ 5800 К) максимум приходится на видимую часть спектра (Хм = 0,5 мкм), а в излучении электронагревателя (Т~ 1100 К) X* = 3 мкм, причем в последнем случае энергия видимого (светового) излучения ничтожна в сравнении с энергией теплового (инфракрасного) излучения.

Поверхностная плотность потока интегрального излучения абсолютно черного тела в зависимости от его температуры описывается законом Стефана-Больцмана:

где о₀ = 5,67−10″ * Вт/(м²К*) — постоянная Стефана-Больцмана.

Для технических расчетов закон Стефана-Больцмана обычно записывают в виде

где Со = о₀10* = 5,67 Вт/(м²К⁴) — коэффициент излучения, абсолютно черного тела.

На практике, тела излучают меньше тепловой энергии, чем абсолютно черное тело при той же температуре.

Отношение поверхностной плотности потока собственного интегрального излучения Е данного тела к поверхностной плотности потока интегрального излучения Eq абсолютно черного тела при той же температуре называется степенью черноты этого тела:

Степень черноты е меняется для различных тел от нуля до единицы в зависимости от материала, состояния поверхности и температуры. Используя понятие степени черноты, можно записать закон Стефана-Больцмана для реального тела:

где С = еСо — коэффициент излучения реального тела, Вт/^ К⁴).

Согласно закону Кирхгофа степень черноты любого тела в состоянии термодинамическою равновесия численно равна его коэффициенту поглощения при той же температуре, т. е. е = А. В соответствии с этим законном отношение энергии излучения к коэффициенту поглощения (Е/А) не зависит от природы тела и равно энергии излучения Ео абсолютно черного тела при той же температуре. Чем больше коэффициент поглощения, тем больше энергия излучения этого тела при заданной температуре. Если тело мало излучает, то оно мало и поглощает. Абсолютно белое тело не способно ни излучать, ни поглощать энергию.