Лучистый теплообмен. 
Теория тепломассопереноса в нефтегазовых и строительных технологиях

Основные закономерности лучистого теплообмена

Теплообмен излучением (или лучистый теплообмен) — это передача энергии от одного тела к другому в виде электромагнитных волн. Существенное отличие лучистого теплообмена от конвекции и теплопроводности заключается в том, что он может протекать при отсутствии материальной среды, разделяющей поверхности теплообмена, т. к. электромагнитное излучение распространяется и в вакууме.

Любое тело постоянно излучает электромагнитные волны, а также постоянно получает энергию извне вследствие излучения соседних тел. Интенсивность и спектральный состав излучаемых электромагнитных волн зависят от температуры тела и свойств его поверхности. Если температура тела ниже 500 °C, его излучение лежит в инфракрасной области (длина волны 0.8 < Я < 800 мкм) и невидимо. При более высоких температурах в спектре излучения появляются волны видимого диапазона, но в области температур до 2000 °C основную роль в теплообмене играет инфракрасное излучение, поэтому его иногда называют тепловым излучением. Количество энергии, излучаемой с единицы поверхности тела (или падающей на единицу поверхности тела) за единицу времени называется плотностью мощности излучения; обозначим эту величину буквой W, ее размерность Вт/м². Падающее на тело излучение может частично отражаться, проходить сквозь тело и поглощаться им. Обозначим через А коэффициент поглощения (долю энергии излучения, поглощаемую телом), через В коэффициент прозрачности (долю энергии, прошедшей сквозь тело), и через R коэффициент отражения (долю энергии, отраженной телом). По закону сохранения энергии, очевидно.

Тело, полностью поглощающее электромагнитное излучение (А = 1,5 = 0,/? = 0), называется абсолютно черным телом; тело, полностью отражающее излучение (А = 0, В = 0, R = 1), называется зеркальным, или абсолютно белым; если же А = 0, В = 1, R = 0, то тело называется абсолютно прозрачным, или диатермичным. Абсолютно черных, абсолютно белых и абсолютно прозрачных тел в природе, конечно, не существует, но есть тела, имеющие близкие к ним свойства. При этом надо иметь в виду, что в видимой и в инфракрасной областях оптические свойства тел могут существенно различаться.

В видимой области многие твердые тела и жидкости (стекло, кварц, лед, вода и др.) прозрачны. Для инфракрасного излучения высокой прозрачностью обладают лишь некоторые газы, например воздух, причем его прозрачность заметно уменьшается, если он содержит пары воды, углекислый газ или углеводороды. Твердые тела и жидкости для инфракрасного излучения, как правило, практически непрозрачны. Из этого правила есть важные исключения, например хлористый натрий (поваренная соль) прозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны —10 мкм; это свойство используется при изготовлении инфракрасной оптики. Однако таких исключений немного, поэтому в теплофизике для твердых тел и жидкостей обычно можно считать, что В = 0, нА = - R.

Поверхности многих тел бывают окрашены в различные цвета; это означает, что в видимом диапазоне их коэффициент отражения сильно зависит от длины волны. Однако в области инфракрасного излучения (которое, как уже говорилось, играет основную роль в теплообмене при не слишком высоких температурах) коэффициент отражения обычно слабо зависит как от цвета поверхности тела, гак и от длины волны инфракрасного излучения, поэтому в теплофизике твердые тела и жидкости обычно считают серыми независимо от того, какой цвет они имеют в видимом диапазоне. Для поглощения и отражения тепловых лучей основное значение имеет не цвет, а состояние поверхности тела (полированная поверхность или шероховатая, покрыта пленкой окиси или нет и т. п.).

Известный из курса оптики закон Кирхгофа утверждает, что между излучающей и поглощающей способностями тела существует однозначное соответствие. Наибольшее возможное количество энергии (при заданной температуре) излучается абсолютно черным телом, а количество энергии, излучаемой любым другим телом, пропорционально коэффициенту поглощения данного тела; по этой причине коэффициент поглощения часто называют степенью черноты серого тела. Согласно закону Стефана-Больцмана, также известному из курса оптики, плотность мощности излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры его поверхности:

где а — коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный о = 5.67−10‘⁸ Вт/(м²-К⁴), называется постоянной Стефана-Больцмана. Коэффициент излучения серого тела можно представить в виде произведения Ао, где безразмерный коэффициент поглощения А (степень черноты) определяется экспериментально и лежит в диапазоне 0 < А < 1. Таким образом, плотность мощности электромагнитного излучения серого тела может быть вычислена по формуле.

В табл. 3.5 приведены коэффициенты поглощения (степень черноты) некоторых материалов. Как видно из этой таблицы, наибольшую степень черноты имеют поверхности, покрытые платиновой чернью и нефтяной сажей, а наименьшую — полированные металлические поверхности (например, полированное серебро при комнатной температуре отражает 98.5% падающей на него электромагнитной энергии).

При подсчете полной энергии излучения надо учитывать как собственное излучение тела, так и отраженное излучение. Сумма энергий собственного и отраженного излучений называется эффективным излучением и обозначается через Еф Для твердых тел и жидкостей, как уже говорилось, коэффициент прозрачности В можно считать равным нулю. Обозначим через Е энергию собственного излучения, а через А его коэффициент поглощения. Если со стороны других тел на данное тело падает излучение с энергией Ег, то доля отраженной энергии составляет (1 — A)Ei, поэтому эффективное излучение можно записать в виде:

На практике приходится решать задачи как интенсификации лучистого теплообмена между телами, так и, наоборот, экранирования от излучения других тел.