Теплообмен излучением

Теплообмен излучением — процесс переноса тепла в виде электромагнитных волн. Этот вид теплообмена осуществляется в три этапа: в начале внутренняя энергия тела преобразуется в лучистую энергию, которая на втором этапе передается в пространстве, а на третьем этапе лучистая энергия преобразуется другим телом в теплоту.

Тепловое излучение характеризуется длиной волны l и частотой колебаний n. Волны распрстраняются со скоростью света с = 3 10⁸ м/с, а n= с/l. Основное количество энергии при обработке пищевых продуктов получают в области инфракрасного излучения (длина волны от 0, 8 до 800 мкм).

При попадании на поверхность лучистой энергии в количестве

Q, телом поглощается и превращается в тепловую энергию только ее часть Q_п; часть энергии Q_о отражается, а часть Q_с проходит сквозь тело.

Q = Q_п + Q_о + Q_с.

Разделив правую часть уравнения на Q, получим:

Q_п/Q + Q_о/Q + Q_с/Q = А + R + D = 1,

где А, R, D, —поглощательная, отражательная и пропускательная способности тела, соответственно.

При А=1, R=D=0 тело называется абсолютно черным. При R=1,

A=D=0, вся падающая лучистая энергия отражается и тело называется абсолютно белым. При D=1, A=R=0 тело пропускает сквозь себя всю энергию и называется прозрачным или диатермичным.

В природе нет ни абсолютно черных, ни абсолютно белых, ни абсолютно прозрачных тел, поэтому реальные тела называют “серыми”.

Количество тепла, излучаемого единицей поверхности тела в единицу времени, называют лучеиспускательной способностью тела или поверхностной плотностью потока излучения

Е = Q_L/F_L.

Лучеиспускательная способность тела является интегральной характеристикой, которая учитывает энергию излучения волн всех длин от 0 до ∞. Энергия излучения зависит от длины волны и температуры. Экспериментально зависимость между температурой тела и тепловым излучением была установлена Стефаном и подтверждена теоретически Больцманом. Эта зависимость носит названия закона Стефана-Больцмана: лучеиспускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры:

Е₀= С₀(Т/100)⁴,

где С = 5, 67 Вт/(м^2.К) —коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Для “серых”тел этот закон записывается в виде:

Е = eС₀(Т/100)⁴,

где e = С/С₀ —степень черноты, здесь С —коэффициент излучения рассматриваемого тела.

e меняется от 0 до 1.

Соотношение между лучеиспускательной поглощательной способностью тел устанавливает закон Кирхгофа: отношение излучательной способности тел Е к поглощательной А для всех тел одинаково и равно излучательной способности абсолютно черного тела Е_о при той же температуре и зависит только от температуры:

Е/А = Е_о.

Сопоставляя закон Кирхгофа и закон Стефана-Больцмана, можно

получить: А=e, т.е. способность тела к поглощению излучения равна степени его черноты.

Количество тепла, переходящее от более нагретого тела к менее нагретому посредством излучения можно определить по формуле:

Q_л = C_1-2 jF[(T₁/100)⁴- (T₂/100)⁴],

где C_1-2 —приведенный коэффициент излучения; F —площадь поверхности излучения; T₁ —температура более нагретого тела; T₂ —температура нагреваемого тела; j - угловой коэффициент.

Приведенный коэффициент излучения C_1— зависит от взаимного расположения и степени черноты тел, участвующих в теплообмене. Могут быть три основных случая теплообмена лучеиспусканием:

1). Если одно тело c площадью F₁ расположено внутри другого тела с площадью F₂, то F=F₁, угловой коэффициент j=1 и

1 F₁ 1 1
С_1-2 = 1 ─ ─ + ─ ─ ─ ─ - ─ ─
C₁ F₂ C₂ C₀

где С₁ и С₂ коэффициенты лучеиспускания тел.

2). Если F₂> > > F₁ т.е. F₁/F₂® 0 (теплообмен в неограниченное пространство), то коэффициент излучения С_1-2=С₁, а j» 1.

3). Если F₂ = F₁, то

1 1 1
С_1-2 = 1 ─ ─ + ─ ─ — ─ ─
C₁ C₂ C₀