Законы и особенности лучистого теплообмена
Для того чтобы понять сущность лучистого теплообмена, действие лучистых отопительных устройств и систем, необходимо знание основных физических законов инфракрасного излучения. Лучистый теплообмен представляет собой теплообмен между телами с разной температурой поверхности посредством инфракрасного излучения, т. е. электромагнитного излучения, занимающего область спектра электромагнитных волн от 0,77 до 340 мкм (диапазон волн дан в соответствии с рекомендациями Комитета технической терминологии АН СССР). При этом диапазон 340—100 мкм считается длинноволновым, 100—15 мкм — средневолновым, а 15—0,77 мкм — коротковолновым. Коротковолновая часть инфракрасного спектра примыкает к видимому свету, а длинноволновая сливается с областью ультракоротких радиоволн. В связи с этим инфракрасное излучение распространяется прямолинейно, преломляется, отражается и поляризуется, так же как видимый свет. В то же время, подобно радиоволнам, оно может проходить сквозь некоторые материалы, непрозрачные для видимого излучения.
Любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, излучает тепловую энергию в инфракрасном диапазоне спектра электромагнитных волн. Различные тела при одной и той же температуре обладают различной лучеиспускательной способностью, которая зависит от природы и строения тел, а также от формы и состояния их поверхности. Электромагнитное излучение имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. Электромагнитное поле обладает квантовым характером. Квантами его являются фотоны. При взаимодействии с веществом фотон поглощается его атомами, передает свою энергию электрону, а сам исчезает. При этом возрастает энергия тепловых колебаний атомов в молекулах вещества, т. е. энергия излучения переходит в теплоту. Перенос энергии происходит от тела с более высокой температурой к телу с меньшей температурой.
Основной величиной является энергия излучения W, измеряемая в джоулях (Дж). Потоком излучения называют среднюю мощность излучения за время, значительно превышающее период колебания (энергия излучения за единицу времени). Единица потока излучения — джоуль на секунду (Дж/с) или общепринятое— ватт (Вт).
Для каждого из участвующих в лучистом теплообмене тел существует несколько потоков излучения: поток собственного излучения Е, зависящий от температуры Т и оптических свойств тел; поток падающего излучения ?пад; потоки поглощенного, отраженного и пропускаемого излучения, сумма которых равна Епад. В общем случае среда, разделяющая тела, может поглощать излучение и вносить поток собственного излучения.
При лучистом теплообмене между несколькими телами каждое тело характеризуется потоком эффективного излучения:
Тело, для которого при любой температуре Л= 1, R = 0 и 0=0, называется «абсолютно черным». Существует понятие «черное излучение». Этот вид излучения соответствует температурному равновесию тела, и количество испускаемой энергии излучения определяется только температурой тела и не зависит от его природы.
Этому понятию и отвечает абсолютно черное тело, которое способно поглощать всю падающую на него энергию излучения.
Поток собственного монохроматического излучения Е0>. абсолютно черного тела для заданной длины волны % и температуры Т определяется законом Планка:
Абсолютно черных тел в природе не существует. Излучение реальных тел в зависимости от их физических свойств может протекать по-разному. По характеру излучения реальные тела можно разделить на две группы: с серым излучением и с селективным излучением.
Для описания излучения тел первой группы приемлемы все законы, которым подчиняется излучение черного тела, если по интенсивности эти излучения различаются только постоянным множителем. который не зависит от длины волны. Поэтому для серых тел закон Стефана — Больцмана может быть записан в виде:
Селективным, или избирательным, называется такое излучение, которое наблюдается лишь в отдельных узких участках •спектра электромагнитных колебаний.
Связь между излучательной и поглощательной способностями тела устанавливает закон Кирхгофа: отношение излучательной способности тела Ес, т к его поглощательной способности Ат не зависит от природы тела и равно излучательной способности абсолютно черного тела Е0, т при той же температуре, т. е.
Лучистый теплообмен между телами — это сложный процесс, при котором происходят многократные поглощения и отражения лучистой энергии, постоянно затухающие. В расчетах отопительных устройств и систем многократным отражением и поглощением можно пренебречь. Лучистый теплообмен между телами определяется потоком результирующего излучения qpe3, Вт/м2:
Закон пропорциональности обратных квадратов показывает, что облученность от точечного источника излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до облучаемой поверхности. Этот закон выполняется достаточно точно лишь тогда, когда линейные размеры источника излучения значительно меньше расстояния между источником и облученной поверхностью.
