ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭНЕРГОАУДИТА

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ЗАКОНЫ ЛУЧИСТОГО ТЕПЛООБМЕНА

Все тела непрерывно посылают в окружающее их пространство элек­тромагнитные волны различной частоты (длины). Большинство твердых и жидких тел излучают энергию всех длин волн в интервале от нуля до бес­конечности, т. е. имеют сплошной спектр излучения. Газы испускают энер­гию только в определенных интервалах длин волн и имеют селективный спектр излучения. Твердые тела излучают и поглощают энергию поверхно­стью - поверхностное излучение, а газы объемом - объемное излучение.

Под действием возбуждения колебаний в молекулах и атомах вещест­ва (тела) возникают электромагнитные колебания. Длина волны Хл, мкм (микрометр - 10-6 м), электромагнитного излучения находится в пределах: для рентгеновских лучей - 10-6.20 • 10-3; ультрафиолетовых - 0,02.0,4; видимых (световых) - 0,4.0,8; тепловых (инфракрасных) - 0,8-.800; для радиоволн - 200 мкм.. .X км.

Излучение волн любой длины всегда превращается (трансформирует­ся) в тепловую энергию. Но для световых и инфракрасных лучей с длиной волны от 0,4 до 800 мкм это превращение выражено наиболее сильно, и эти лучи называют тепловыми, а процесс их распространения - тепловым излучением или радиацией. Лучистый теплообмен - широко распростра­ненный в теплоэнергетике вид передачи теплоты.

В отличие от всех других видов тепловое инфракрасное (температур­ное) излучение определяется тепловым состоянием тела - его температу­рой. Тепловое излучение свойственно всякому телу, если его абсолютная температура отлична от нуля. Интенсивность теплового излучения резко увеличивается с ростом температуры. Всюду, где в определенных условиях температура достигает порядка 600.700 °С и выше, превалирующим ви­дом теплообмена (по сравнению с конвекцией) является радиация. Свое преимущество она сохраняет и для низких температур при соответствую­щем расположении поверхностей, обменивающихся лучистой теплотой. При лучистом теплообмене все тела излучают энергию друг на друга. В результате баланса теплоты лучистая энергия всегда переносится от тел с более высокой температурой к телам с меньшей температурой. Наиболее интенсивна передача теплоты радиацией в условиях вакуума или разреже­ния. Носителями квантов энергии являются элементарные частицы излуче­ния - фотоны, а излучаемая в единицу времени энергия соответствует очень узкому интервалу изменения длины волн от Хл до (Хл + й? Хл).

Излучаемая в единицу времени энергия, которую можно характеризо­вать данным значением длины волн Хл, называется потоком монохромати­ческого излучения Q%. Поток излучения, соответствующий всему спектру, в пределах от нуля до бесконечности, называется интегральным, или полным лучистым потоком Q (Вт).

Интегральный или полный лучистый поток, излучаемый с единицы поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства, называется плотностью потока интегрального излучения, или излучатель - ной способностью Е (Вт/м2).

Если излучательная способность Е одинакова для всех элементов по­верхности F, то Q = EF. В этом случае, излучательная способность тела Е, численно равна количеству энергии (Дж), выделяемой с единицы поверх­ности (м2), в единицу времени (с), Дж/(м2 • с) = Вт/м2.

Каждое тело не только излучает, но и поглощает лучистую энергию. Если тепловой луч на своем пути встречает какое-нибудь тело, то из всего общего количества падающей на тело лучистой энергии Ео (Qo), часть ее отражается в окружающее пространство Еот (QOT), некоторая доля энергии, проникающей в тело, поглощается Епог (QnOT) и трансформируется в тепло­вую энергию, а остальная часть проходит сквозь тело и через окружающее пространство Епр (Q^), после чего попадает на другие тела.

Таким образом, падающий на тело лучистый поток может быть разде­лен на три части: отраженную, поглощенную и пропущенную. Следова­тельно: Ео = Еот + Епог + Епр. Для количественной оценки каждой части лу­чистой энергии вводят следующие понятия.

1. Отношение отраженной энергии к энергии, падающей на поверх­ность, называют отражательной способностью тела R = Еот/Ео.

2. Отношение поглощенной энергии к падающей энергии называют поглощательной способностью тела А = Епог/Ео.

3. Отношение энергии, прошедшей сквозь тело, к падающей энергии называют пропускательной способностью тела D = Епр/Ео.

В соответствии с законом сохранения энергии: R + А + D = 1.

Если R = 1, то А = D = 0. Это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью отражается телом. Когда отражение правильное и опре­деляется законами геометрической оптики, тела называются зеркальными. В случае диффузного отражения - абсолютно белыми.

Если А = 1, то R = D = 0. Это означает, что все падающее излучение поглощается телом и такие тела называются абсолютно черными.

Если D = 1, то А + R = 0. Это означает, что вся падающая энергия про­ходит сквозь тело и такие тела называют прозрачными или диатермичны - ми. К ним можно отнести незапыленный сухой воздух, одноатомные и двухатомные газы (азот, кислород, водород).

В природе «абсолютных» тел не существует, хотя имеются близкие. Например, моделью абсолютно черного тела может служить отверстие в стенке полого тела (шара), в котором энергия попадающего в него луча полностью поглощается стенками. Нефтяная сажа поглощает до 96 % па­дающей энергии, а шероховатый лед или иней - до 98 %. Почти все тепло­вые лучи отражает тщательно отполированная медь.

В природе подавляющее большинство твердых тел и жидкостей не­прозрачно. Тела, для которых пропускательная способность D = 0, а сумма поглощательной и отражательной способностей А + R = 1. Эти тела назы­вают серыми или атермичными. Если серое тело хорошо поглощает лучи­стую энергию, то оно плохо отражает эту энергию, и наоборот.

Среда, сквозь которую проходит лучистая энергия, по-разному погло­щает и, следовательно, пропускает излучение. Трехатомные газы (углекис­лый и сернистый газ, водяные пары) пропускают тепловые лучи только в узком диапазоне длин волн. Сухой воздух практически прозрачен для теп­ловых лучей, однако при наличии в нем влаги, пара (тумана) он становится средой, заметно поглощающей. Поглощение и рассеяние излучения имеет место в запыленных или сажистых газах.

Наиболее интенсивно поглощают энергию твердые тела, слабее - жидкости. Для приближения твердых серых тел к черным их поверхность часто покрывают нефтяной сажей, лаком или краской. Однако поглоща - тельная способность тел в инфракрасном диапазоне излучения определяет­ся не столько цветом, сколько состоянием или качеством (шероховатостью) поверхности.

Поглощательная и пропускательная способности тел и сред зависят от спектра излучения. Например, кварц прозрачен для световых и ультрафио­летовых лучей, но непрозрачен для тепловых лучей. Каменная соль про­зрачна для тепловых лучей и непрозрачна для ультрафиолетовых лучей. Оконное стекло прозрачно только для световых лучей, а для инфракрасных и ультрафиолетовых оно почти не прозрачно.

Белая по цвету поверхность хорошо отражает лишь световые лучи, что используется для различных тел и сооружений, где инсоляция нежелатель­на. Тепловые же лучи невидимого инфракрасного излучения воспринима­ют поверхность тел только по состоянию ее шероховатости и степени чер­ноты, но не цвета, точно так же как и глаз не «видит» инфракрасные лучи, но воспринимает всю гамму световых лучей.

Следовательно, цвет поверхности тела (его окраска) существенно влияет на поглощение и излучение только видимых лучей в соответствую­щем интервале длин световых волн. Естественно, что со световыми лучами тоже поступает тепловая энергия, которая используется в различных гелио - технологических и солнечных установках: теплицах, сушилках, опресни­тельных установках, солнечных прудах.

Основные законы теплового излучения приведены в [13, 35, 36] и устанавливают следующие положения.

1. Закон смещения Вина: с увеличением абсолютной температуры максимальная длина волны смещается к области более коротких волн.

2. Закон теплового излучения Кирхгофа: чем больше тело излучает, тем больше оно и поглощает, или излучательная способность тела прямо пропорциональна поглощательной при той же температуре.

3. Закон Стефана-Больцмана для реального тела: излучательная спо­собность реального тела Е зависит от степени черноты тела и пропор­циональна четвертой степени его абсолютной температуры Т.

4. Для большинства твердых (серых) тел вместо поглощательной спо­собности оперируют понятием степени черноты реального тела. Под сте­пенью черноты реального тела є понимают отношение излучательной спо­собности данного тела Е к излучательной способности абсолютно черного тела Е0 при той же температуре: є = (Е/Е0)Т.

5. Степень черноты полного излучения тел є характеризует суммар­ное лучеиспускание реального тела, определяется экспериментально и для большинства материалов ее значения табулированы и сведены в таблицах. Степень черноты реального тела є - то же самое, что и поглощательная способность тела: є = А. Необходимо учитывать, что степени черноты тел є или их поглощательная способность А зависят от температуры: для метал­лов они возрастают с повышением температуры, а для неметаллов - пони­жаются. Степень черноты тел меняется от 0 (для абсолютно белых) до 1 (для абсолютно черных тел).

Наиболее существенно на є и А в инфракрасном диапазоне излучения влияет шероховатость поверхности, поэтому различают степень черноты металла как вещества (шероховатое или окисленное) и металла после его обработки или полировки, когда степень черноты имеет порядок сотых долей единиц. Для шероховатых поверхностей (строительных материалов), а также при загрязнении или наличии на поверхности оксидной пленки значения є увеличиваются в несколько раз. Например, медь окисленная имеет є = 0,6.0,8; медь слегка полированная - є = 0,12; а медь тщательно полированная имеет є = 0,02.

Значительно степень черноты є зависит также от состояния поверхно­сти тела. Покрытие гладкой поверхности металла одинарным тонким слоем прозрачного для света лака может привести к многократному увеличению
є. Необходимо помнить, что видимая окраска поверхности тела в отражен­ных лучах света не дает никакого представления о степени черноты є, ха­рактеризующей в основном невидимое инфракрасное излучение. Напри­мер, бумага, фарфор, асбест, кирпич имеют є порядка 0,7...0,9, тогда как глазом они воспринимаются как белые тела. Аналогично лак черный мато­вый имеет є = 0,96, а лак белый - 0,9; сажа - 0,952, гладкое стекло - 0,937; вода - 0,9, а снег (при отрицательных температурах) - 0,82; краска черная глянцевая - 0,9, а краска белая масляная и различных цветов - 0,92.0,96.

6. Суммарная теплопередача лучеиспусканием между телами:

Т \4 f Т ^4 T1 I I T2

100; 1100

Где єп - приведенная степень черноты системы тел; с0 - коэффициент излу­чения абсолютно черного тела, с0 = 5,67 Вт/(м2 • К4); F - площадь теплопе-

2

Редающей поверхности, м.

Приведенная степень черноты єп системы тел с плоскопараллельными поверхностями F1 и F2, имеющими соответственно степени черноты є1 и є2, определяется как:

1

Єп =

11

—+------------------------------------------------------------ 1

Є

Приведенная степень черноты єп системы тел, из которых одно с по­верхностью F1 находится в полости другого F2, имеющими соответственно степени черноты є1 и є2, определяется как:

1

Єп =

-1+F Ґ1 -1

Ь1 F2 V Є 2

При значительном расхождении F1 - о F2, в такой системе создаются условия лучистого теплообмена, тождественные тем, которые имеют место в системе тел с плоскопараллельными поверхностями. При F2 >> F1 явле­ние становится автомодельным относительно параметров поверхности и степени черноты второго тела. Расчетная формула приобретает более про­стой вид:

T I4 I T2

100; V100

Для интенсификации лучистого теплообмена необходимо увеличить температуру излучающего тела и усилить приведенную степень черноты системы. Наоборот, для уменьшения теплообмена необходимо снизить температуру излучающего тела и уменьшить приведенную степень чер­ноты системы. В тех же случаях, когда температуру изменить нельзя, для снижения лучистого теплообмена применяют экраны.

7. Защита от излучения с помощью плоских экранов. В этом случае между горячим 1 и холодным 2 телом ставят тонкостенный экран из непро­зрачного вещества. Постановка одного экрана уменьшает при прочих оди­наковых условиях количество передаваемой лучистой теплоты в два раза. Постановка n экранов уменьшает количество передаваемой лучистой теп­лоты Q12 в (n + 1) раз, т. е. Qn э = Q12 / (П + 1).

Еще больший эффект снижения лучистого теплообмена получается, если применяются экраны с малой степенью черноты. Так, если между двумя плоскими поверхностями со степенью черноты єп установлены n экранов со степенью черноты еэ, то

Q

Вэ =■

2 - еэ

1 + n

2-Єп £э

Следовательно, установка лишь одного экрана со степенью черноты є. з = 0,2 между поверхностями с є = 0,7 дает снижение лучистого потока теп­лоты віг в 6 раз. Применение экранов позволяет использовать одновремен­но в качестве тепловой изоляции и воздушные прослойки.

8. Тепловое излучение в газах происходит во всем объеме, а количе­ство поглощаемой газом энергии зависит от числа находящихся в данном объеме микрочастиц газа.