Методы изучения процессов тепло- и массопереноса. Теплообмен излучением. Излучение и поглощение реальных тел, страница 21

ТЕПЛООБМЕН  ИЗЛУЧЕНИЕМ  МЕЖДУ  ГАЗОМ  И  ОБОЛОЧКОЙ

Примем  газ  и  окружающую  его  оболочку  серыми;  температуру  газа – одинаковой  по  всему  объему  и равной  t г;   тем-пературу  оболочки – одинаковой  по  всей  ее поверхности  и  равной  t 0;  степени  черноты,  соответственно,  e г  и  e 0, одинаковые  по  объему  и  по  поверхности. Схема  лучистых  потоков  представлена  на  рис. 17.

Результирующий  лучистый  поток  для  оболочки

Q ро = Qпог о – Qсоб о = Qпад о – Qэф о = E г× Fо - e г× Qэф о  .      (12)

При  заданной  t г  плотность  лучистого  потока  газа  Е г = С0×e г×Qг ,  а  эффективный  лучистый  поток

Q эф0 = Qсоб 0 + Qотр 0 = E0×F0 + Qэф 0 (1- e г)(1- e 0) + E г×F0 (1- e 0) .

Отсюда

Qэф 0 = [F0× E0 + E г×F0 (! - e 0)] / (e г+e0-eг×e0) .      

При заданной  t 0  плотность  лучистого  потока   оболочки         Е = С0×e 0×Q0 .  После  подстановки  полученного  выражения  для  Qэф 0  в  (12)  и   замены  Е г  и  Е 0   по  закону  Стефана – Больцмана  получим                    Q ро = C0×e г×e 0×F0 (Qг-Q0) / (e г+e 0-e г×e 0),   то есть  формулу  для  двух  бесконечных  параллельных  плоских  поверхностей.

Если  числитель  и  знаменатель  последней  формулы  разделим  на  e г×e 0 ,  то  четко  увидим,  что  Qро  увеличивается  с  ростом  e г  и  e 0 .

ТЕПЛООБМЕН  ИЗЛУЧЕНИЕМ  В  ЗАМКНУТОЙ  СИСТЕМЕ  ИЗ  ДВУХ  СЕРЫХ  ТЕЛ  С  ЛУЧЕПОГЛОЩАЮЩЕЙ  СРЕДОЙ

          Примем,  что  температура  по  всей  поверхности  F1  равна  t1,  по  всей  поверхности  F2 – t2 ,по  всему  объему  среды – t г;  степени  черноты  соответственно  равны  e1,e 2,e г,  то  есть  среда  частично  поглощает  лучистый  поток  (D =1- e г),  но  нетеплопроводна  и  на  ее  нагрев  тепло  не  затрачивается.  Схема  лучистых  потоков  дана  на  рис. 18.

          Для  поверхности  F2 угловые  коэффициенты  j22=0,j21=1,  ре-зультирующий  тепловой  поток  Qр2 = Qпад  2 - Qэф2 .  Она  сама  себя  не  облучает,  поскольку  она  выпуклая,  а  F1  вогнута, облучает  сама  себя,  и  для  нее   j11+j12=1.  По  свойству  взаимности  j12=F2 /F1

Система  исходных  уравнений  выглядит  следующим  образом:

              Qр2 = Qэф1×j12(1-e г) + E г F2 - Qэф2 ,        Ег = С0×e г×Qг;

    Qэф1 = (1 - e 1) [Qэф1 (1 - j12)(1 - e г) + Eг F + Qэф2 (1 - e г)] + E 1 F1 ;

 Qэф2 = (1- e 2)[Qэф1 j12 (1 - eг ) + Eг F2] + E2 F2 ,  E = C0e1Q1,  E = C0e 2Q2

Eг = e г (Qэф1 + Qэф2) / (F1 + F2).

          Решая  эту  систему уравнений,  после  необходимых  преобра-зований,  получаем  окончательную формулу  в  следующем  виде:

С0×e1×e2[1+j12(1-e г)] F2(Q1-Q2)

                 Qр2 = -------------------------------------------------------- .

                         [e1 + j12×e2×(1- e1)][1 + j12×(1-e г)] + j12×eг×e1×e2

Если   примем  e г= 0,  то,  очевидно, получим  расчетную  фор-мулу  для  подобной  же  геометрической  системы ,  но  с  лучепроз-рачной  средой.  Сравнивая  ее с  вышеприведенной,  придем  к  выводу,  что  наличие  лучепоглощающей  среды  между  поверхностями,  как  и  наличие  экрана,  приводит  к  уменьшению  результирующего  теплового  потока.   Но  только  влияние  среды тем  больше,  чем  выше  ее  степень  черноты. Это  объясняется  тем,  что  экран  больше  отражает,  чем  сам  излучает  в  сторону  источника  энергии,  а  среда  не  отражает  совсем,  но  она  способна   возвращать  часть  энергии  в  сторону  источника  тепла  в  виде  соб-ственного  излучения.  А  оно  тем  больше,  чем  выше  степень  черноты  среды.

Влияние  углового  коэффициента   j12  выяснить  труднее,  тем  более, что  от  него  зависит   и  e г  при  постоянном  химическом   составе  среды.  С  уменьшением  j12 ,  то  есть  с  увеличением  F1 ,  возрастает  e г ,  так  как  увеличивается  эффективная  длина  луча  l э.

Расчеты  показывают,  что  уменьшение  j12  влияет  сильнее,  чем  увеличение  e г ,  и  в  результате  Qр2  возрастает.

Степени  черноты  поверхностей   e1  и  e2  и  в  данном  случае  влияют  как  обычно – чем  они  больше,  тем  больше  Qр2 .