Теплообмен излучением осуществляется посредством электромагнитных волн. Он составляет 90-95% суммарного теплообмена в топках паровых котлов, дуговых сталеплавильных печах, 80-90% ─ вплазменно-дуговых печах и камерах нагревательных печей. Электромагнитные волны распространяются прямолинейно со скоростью света и подчиняются оптическим законам преломления, поглощения, отражения. Тепловое излучение помимо волновых свойств обладает корпускулярными свойствами: энергия излучается телом не непрерывно, а отдельными порциями – квантами и фотонами. Следовательно, излучение обладает корпускулярно-волновым дуализмом:
энергия и импульс сосредоточены в фотонах, а вероятность их нахождения в пространстве обусловлена волновой механикой. Поэтому процессыизлучения и поглощения энергии описываются законами квантовой механики, а процессы распространения энергии – законами волновой теории распространения электромагнитных колебаний.
Энергия фотона определяется по выражению:
W = hν, где h – 6,62 · 10 Дж·с, постоянная Планка; ν – частота колебаний -34 эквивалентного электромагнитного поля.
Длина волны и частота колебаний находятся в следующем соотношении:
= с, где с – скорость света, в вакууме с = 300 000 км/с.
Излучение энергии фотона происходит следующим образом. При переходе атома или электрона на новый энергетический уровень, как и привозвращении их на прежний уровень, происходит излучение фотона энергии. Переход атомов и электронов на другой энергетический уровень происходит при нагревании, охлаждении тел, а также при ионизации газов в электрической дуге (плазме) под действием электромагнитного поля.
При горении топлива процесс перехода атомов на новый энергетический
уровень происходит непрерывно. Энергия, запасенная в топливе,
выделяется при его горении в энергию потока излучения (табл. 1.1).
Таблица 1.1. Распределение излучения по длинам волн и по частоте
№ Вид излучения Длина волны, м Частота волны, Гц
1 Радиоволны 103 – 10-4 3 105 – 3·1012
2 Инфракрасное 10·10-4 – 7,6·10-7 6·1011 – 3,75·1014
3 Видимое 7,6·10-7 –4·10-7 3,75·1014 –7,5·1014
4 Ультрафиолетовое 4·10-7 –10-9 7,5·1014 – 3·1017
5 Рентгеновское 2·10-9 – 6·10-12 1,5·1017 – 5·1019
6 ϒ-излучение < 6·10-12 > 5·1019
Примечание: инфракрасная (ИК) область излучения состоит из ближней ИК-области 0,76 – 1,5 мкм; средней ИК-области 1,5 – 10 мкм; дальней 10 – 1000 мкм. Видимое излучение состоит из иолетового 0,4-0,45 мкм; синего 0,45-0,48 мкм; голубого 0,48-0,50 мкм; зеленого 0,50-0,56 мкм; желтого 0,56-0,59 мкм; оранжевого 0,59-0,62 мкм; красного 0,62-0,76 мкм.
При температурах от 0 до 1800 0С основная доля мощности излучения приходится на инфракрасную область спектра, не видимую глазом человека. Поэтому мы не видим газовый факел в топках паровых котлов, максимальная температура которого не превышает 1800 0С. При температурах свыше 2000 0С излучение в видимой области спектра существенно увеличивается, и светимость факела увеличивается. Электрическая дуга, горящая в дуговых сталеплавильных печах, имеет
температуру 5200-5800 0С и излучает большую часть мощности в области видимого излучения. Для защиты зрения от мощного видимого излучения дуги применяют затемненные стекла, поглощающие часть излучения дуги.
В видимой области работает и вольфрамовая нить ламп накаливания, температура которой 2800 0С.
Основными источниками излучения в газовом, мазутном, пылеугольном факелах являются молекулы, когда их атомы или группы атомов, входящие в их состав, переходят из колебательного движения с большей энергией в такое же – с меньшей. При этом возникает инфракрасное излучение. При столкновении атомов друг с другом происходит выбивание электронов с переходом их на новый энергетический уровень и появлением излучения в факеле в видимой области спектра. Светимость факела повышают за счет увеличения числа столкновений атомов и концентрации сажистых частиц.
Основными источниками излучения в электрической дуге являются электроны, которые переходят из состояния с большой энергией в состояние с меньшей энергией, и наоборот, и излучают в видимой и ультрафиолетовой областях.
С уменьшением длины волны более ярко проявляются корпускулярные свойства излучения, энергия фотонов возрастает с уменьшением длины волны. Для излучений больших длин волн (невидимые ИК-лучи с λ= 0,76-1000 мкм) характерно, что лучи проявляют лишь волновые свойства.
Излучение, соответствующее какой-либо определенной частоте А колебаний или длине волны, называется МОНОХРОМАТИЧЕСКИМ. В реальности такого излучения не существует, любое излучение охватывает какой-то диапазон длин волн. Излучение, соответствующее длинам волн от
0 до ∞, называется ИНТЕГРАЛЬНЫМ. Количество энергии, излучаемое телом в единицу времени, называется ПОТОКОМ ИЗЛУЧЕНИЯ (Вт) или МОЩНОСТЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ:
W
Q=.
τ
ПЛОТНОСТЬ ПОТОКА ИЗЛУЧЕНИЯ (Вт/м2) – это количество энергии,
излучаемое телом в единицу времени с единицы площади:
Q
q=.
F
В инженерных расчетах часто обозначают q = Е].
Потоки излучения в зависимости от взаимодействия излучения и тела подразделяются: на СОБСТВЕННЫЙ ПОТОК ИЗЛУЧЕНИЯ Qсоб, то есть излученный телом во всех направлениях; ПАДАЮЩИЙ ПОТОК ИЗЛУЧЕНИЯ Qпад, то есть приходящий на поверхность со всех направлений; ОТРАЖЕННЫЙ ПОТОК ИЗЛУЧЕНИЯ Qотр, то есть прошедший сквозь тело во всех направлениях; ПОГЛОЩЕННЫЙ ПОТОК ИЗЛУЧЕНИЯ Qпогл, то есть поток, перешедший из формы излучения в форму теплового движения атомов и молекул поглощающего тела; РЕЗУЛЬТИРУЮЩИЙ ПОТОК ИЗЛУЧЕНИЯ Qрез – разница собственного и поглощенного потоков, то есть поток, остающийся в теле и идущий на изменение его внутренней энергии в результате процессов испускания и поглощения; РАССЕЯННЫЙ ПОТОК ИЗЛУЧЕНИЯ Qрас – часть падающего на объем потока излучения и рассеянного по всем направлениям; ОСЛАБЛЕННЫЙ ПОТОК ИЗЛУЧЕНИЯ Qосл – сумма поглощенного и рассеянного потоков, разность падающего и пропущенного потоков; ЭФФЕКТИВНЫЙ ПОТОК ИЗЛУЧЕНИЯ Qэф – общий поток излучения тела. Результирующим потоком излучения также называется разность потоков, уходящих от тела и приходящих к телу
Взаимодействие излучений и тел, объемов характеризуется коэффициентами: КОЭФФИЦИЕНТ ПОГЛОЩЕНИЯ – отношение поглощенного потока к падающему А = Qпог/Qпад; КОЭФФИЦИЕНТ ОТРАЖЕНИЯ – отношение отраженного потока к падающему R = Qотр/Qпад; КОЭФФИЦИЕНТ ПРОПУСКАНИЯ – отношение пропущенного потока к падающему D = Qпр/Qпад. КОЭФФИЦИЕНТ РАССЕЯНИЯ – отношение рассеянного потока к падающему B = Qрас/Qпад.
Результирующий поток излучения может быть положительным, когда тело поглощает энергию, и отрицательным, когда тело отдает энергию. Если падающий на поверхность поток отражается по всем направлениям, то такое отражение называется ДИФФУЗНЫМ. Диффузный отраженный поток излучения, яркость которого одинакова для всех направлений, называют ИЗОТРОПНО-ДИФФУЗНЫМ отраженным потоком.
По двум известным потокам могут быть определены остальные потоки излучения. Спектры излучения тел бывают непрерывные и прерывистые, СЕЛЕКТИВНЫЕ, с излучением в узком диапазоне длин волн. Тело, имеющее непрерывный спектр излучения, называется СЕРЫМ ТЕЛОМ. Часто теплотехнические расчеты ведут на основе допущения серого излучения тел. Такое допущение упрощает решение многих теплотехнических задач, которые без него были бы неразрешимы. Собственное излучение большей части поверхностей, участвующих в теплообмене, близко к серому. Излучение газов – селективное, не серое. Монохроматическое излучение ограничивается бесконечно малым интервалом длин волн излучения и всегда является серым. Поток излучения для участка спектра называется СПЕКТРАЛЬНЫМ ПОТОКОМ излучения. Поток излучения, взятый по всему спектру излучения тела, называется ИНТЕГРАЛЬНЫМ ПОТОКОМ излучения.
Для определенной длины волны отражательная, пропускательная, поглощательная способности тел характеризуют спектральные коэффициенты поглощения Аλ, отражения Rλ, пропускания Dλ.
Возможны два случая поглощения: первый, когда поглощение происходит по всему спектральному составу лучей, например поглощение в газе потока излучения, создаваемого тем же газом; второй, когда поглощение наблюдается только в части спектра потока излучения, например поглощение газом излучения абсолютно черного тела, то есть селективное.
Большинство белых поверхностей в видимом диапазоне волн обладают коэффициентом отражения Rλ= 0,7-0,9, а в ИК-диапазоне волн ведут себя как черные тела в связи с большим коэффициентом поглощения в ИК-диапазоне (например, стекло, фаянс, силикатный кирпич). Большинство твердых и жидких тел излучают энергию всех длин волн в интервале от 0 до ∞, то есть имеют сплошной спектр излучения. Наибольшее количество энергии приходится на диапазон длин волн от 0,7 до 80 мкм. Чистые металлы и газы характеризуются выборочным – селективным излучением, то есть излучают энергию только определенных длин волн.
Потоки излучения в системе теплообмена распространяются независимо один от другого. При наличии в системе теплообмена нескольких источников излучения плотность падающего в любую i-ю точку системы потока излучения равна сумме плотностей потоков излучений, падающих в данную точку от отдельных источников излучения
