4. Лучистый теплообмен и расчет параметров внешнего теплообмена

Тепловое излучение связано с внутриатомными процессами перехода электронов с одного энергетического уровня на другой, более низкий, с выделением одного кванта энергии. Интенсивность излучения определяется степенью нагретости излучающего тела и его излучающей способности. Энергия в окружающее пространство излучается от всей массы тела через его поверхность. Однако для непрозрачных тел принято считать, что энергия генерируется и поглощается в весьма тонких поверхностных слоях. Поглощение лучистой энергии присуще всем телам. Оно характеризуется тем, что лучистая энергия, попавшая на тело, превращается в его внутреннюю энергию [5,7].

Падающая на тело лучистая энергия частично поглощается им, частично отражается его поверхностью, а какая-то часть ее проходит через тело без превращения в другие виды.

Отражение лучистой энергии может быть зеркальным или диффузным. При зеркальном угол отражения равен углу падения. Оно характерно для гладких поверхностей. Диффузное отражение чаще наблюдается для тел с шероховатыми поверхностями. Отражение лучистой энергии в этом случае происходит равномерно по всевозможным направлениям.

4.1. Основные понятия и определения

Вся совокупность процессов излучения, переноса, поглощения, отражения и прохождения теплового излучения называется лучистым теплообменом.

Несколько тел, которые обмениваются лучистой энергией, называют излучающей системой. Лучистый теплообмен происходит и между телами с одинаковой температурой. Тела системы в этом случае излучают ровно столько энергии, сколько ее поглощают.

Различают монохроматическое (спектральное) и интегральное (непрерывное) излучение.

Монохроматическим называется излучение в узком интервале длин волн от λ до λ+dλ. Все описывающие его величины относятся к интервалу длин волн dλ (или частот dν) и обозначаются индексом λ (или ν).

Интегральным называется суммарное излучение во всем интервале длин волн от λ=0 до λ = .

Радиационным потоком называется полное количество энергии, излучаемое произвольной поверхностью в единицу времени.

(116)

где W – полное количество энергии.

Плотностью потока поверхностного или полусферического излучения называется радиационный поток, проходящий через единицу площади поверхности в пределах полусферы Ω=2π.

(117)

4.2. Основные закономерности излучения

Закон Планка определяет спектральную интенсивность излучения в зависимости от температуры тела и длины волны, излучаемой нагретым абсолютно черным телом. Закон Планка записывают в следующей форме:

(118)

Здесь J_o – интенсивность монохроматического излучения, Вт/м², с длиной волны λ при температуре абсолютно черного излучателя Т, К; постоянная С₁=3,73 ·10^–16 Вт·м², а С₂=1,673·10^–3 м·К; λ - длина волны излучения, м.

_{В соответствии с законом Вина длина волны λmax, отвечающая максимуму плотности, связана с температурой излучающего тела уравнением}

(119)

Следовательно, с увеличением температуры максимум спектральной интенсивности излучения абсолютно черного тела сдвигается в сторону более коротких длин волн.

_{Закон Стефана–Больцмана описывает полную или интегральную плотность потока энергии, излучаемой абсолютно черной поверхностью. Абсолютно черное тело имеет сплошной спектр излучения.}

Для того чтобы определить величину Е₀, необходимо проинтегрировать уравнение Планка, так как

(120)

Тогда

(121)

где σ₀ – универсальная постоянная Стефана–Больцмана, равная

5,67-10^–8·Вт/(м²∙К⁴).

Чаще применяют иную форму записи этого закона:

(122)

где С₀ - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный

5,67 ·Вт/(м²∙К4).