Главная  Теории теплообмена излучением 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 [ 30 ] 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156

трального распределения поглощаемой и излучаемой энергий равны, хотя это явно и не следует из графика, построенного в логарифлгаческих координатах.

ПРИМЕР 5.3. Некоторая селективная новерхность с такими же спектральными характеристиками, как в предыдущем примере, предназначена для поглощения солнечной энергии. Поверхность используется в термодинамическом цикле, применяемом при производстве энергии, и за счет отвода энергии долиша поддерживаться при температуре Гд = 396 К. Чему равен ноток результирующего излучения, приходящийся на квадратный метр этой поглощающей поверхности, если она выведена на орбиту вокруг Солнца с тем же радиусом, что и у Земли? Как велика эта энергия по сравнению с такой же энергией для абсолютно черной поверхности ири той же температуре?

Поток результирующего излучения на поверхности равен разности между потоками пог.тОщениого и собственного излучения. Плотность потока поглощенного излучения, как и в примере 5.2, вычисляется по формуле

= {0,9.5Fo ,;{7h) + 0,05 [1 - F,.,. (7)]} ==

- [0,95 (0,869) + 0.05 (1 -0,869)] 1394 = 1158 Вт/м%

a плотность потока собственного из.чучения по формуле q,. = {0,95Fo-?. {Та) + 0,05 [1 - F,.-, {Та)]) оТ\ =

= {0,95.(-- 0) + 0,05 [1 - (~ 0)]} 5,6693.10- .(396)* = = 70 Вт,.м2.

Плотность потока результирующего излучения, которая может быть использована для производства энергии, равна 1158-70 = = 1088 Вт/м^. Равновесная температура для абсолютно черного или серого тела в примере 5.1 была иандена равной 396 К, и поэтому поток результирующего полезного излучения, который может быть отведен от такой новерхности,> будет равен нулю.

Стоит упомянуть о характерной способности стеклянных оболочек (например, оранжерей) улавливать солнечное излучение, хотя в этом случае часть излучения пропускается. Стеклянную пластину можно использовать также в качестве покрытия поверхности с це.тью увеличения способности последней поглощать солнечное излучение. Такая особенность многих типов стекла обусловлена спектрально-селективным характером пропускания излучения. На фиг. 5.27 приведены данные по эффективной стенени черноты листов оконного стекла разной толщины. Характер кривых, построенных в функции длины волны, противоположен характеру

кривых, приведенных на фиг. 5.25. Пороговая длина волны составляет -~-2,7 мкм. Это означает, что стекло имеет низкую эффективную поглощательную способность при воздействии на него со.л-нечного излучения, которое состоит преимущественно из коротких волн, и, следовательно, падающее солнечное излучение свободно проходит через стекло. Излучение от объектов, находящихся при температуре окружающей среды внутри стеклянной оболочки, приходится на длинные волны и задеря;ивается благодаря высокой поглощательной способности (низкой пропускательной способности) стекла в этой части спектра.

Толщина

см

/

0,8

- /

0,3 -

10 /

I 0,6

\ / /

~ 3 /

,----

- у

1 1 1 1 1

1 2

3 4 5 6 7 8

X, мкм

Фпт. 5.27. Полусферическая спектральная стеиень черноты листов оконного стекла при 1000 С 34]. №. = 1000° С) - полусферическая спектральная степень черноты; ?. - длина

Другим примером полезного использования спектрально-селективных поверхностей являются объекты, которые желате.тьно охлаждать при воздействии на них пзлучения, падаюп,его от источника с высокой температурой. Чаще всего это объекты, подвергаемые действию солнечного излучения (например, цистерны для хранения бензина, баки для криогенного топлива в космическом пространстве, крыши зданий). Д.тя таких объектов .можно было бы использовать хорошо отражающие покрытия, например полированные металлы. Подобные поверхности хорошо отражают падающее излучение, но являются плохими излучателями, неспособными отвести энергию, которая поглощается или выделяется внутри замкнутого объема (например, объема, заполненного электронным оборудованием). К тому же у некоторых металлов наблюдается тенденция к уменьшению отражательной способности в диапазоне коротких волн, например в случае алюминия, не имеющего покрытия (фиг. 5.13). В некоторых случаях можно



С успехом использовать спектрально-селективные вещества, например белую краску (фиг. 5.28). Эти вещества будут не только отражать падающее излучение с преобладанием коротких волн,

1,0-


0,4 0,6 О, в 1

4 6 8 10 X, мкм

Фиг. 5.28. Отражательная способность белой краски, нанесенной на алюминий [35].

РЯ. п - спектральная отражательная способность; % - длина волны.

но будут также хорошо испускать излучешш в диапазоне более длинных волн, которые характерны для излучения при сравнительно ни.зких температурах тела.

5.5.2. Изменение направленных характеристик

Как уже обсуждалось в предыдущих разделах данной главы, шероховатость поверхности может оказывать существенное влияние на радиационные свойства и может даже стать определяющим фактором, если высота шероховатости велика по сравнешпо с длиной волны рассматриваемого излучения. В связи с этим возникает идея о регулировании с помощью шероховатости направленных радиационных харакеристик поверхности.

Если поверхность используется как излучатель, то можно создать такую шероховатость или придать поверхности такую форму, что она будет испускать интенсивное излучешш в заданных направлениях и ослабленное излучение в остальных направлениях.

Промыш.ленные нагревательные устройства более эффективны при использовании таких поверхностей, которые направляют

энергию на нужные участки. Наиболее распространенное приспособление, используемое для регулирования распределения энергии электромагнитного излучения в видимой области спектра, называется ламповым рефлектором.

Если обладающая направленными свойствами поверхность используется главным образом как поглотитель, то в таком случае

Р, греЗ

Хорошо

отражающая \ ,Д Д У Г поверхность------tJ \-/ \-- j

45 Черная

поверхность


Фиг. 5.29. Нанравленная степень черноты поверхности с канавками, имеющими хорошо отражающие зеркальные боковые стенки и хорошо поглощающее дно.

d/D = О 649 Результаты получены для плоскости, перпендикулярной направлению

канавок, при длине волны 8 мкм. - теория [36];--О--эксперимент [37];

р угол, определяющий направление излучения; £ (Р) - направленная степень черноты.

при'использовании, например, х^оглотителей солнечного излучения можно сделать ее интенсивно поглощающей энергию в направлении падения солнечного излучения, но по возможности непоглощающей энергию во всех других направлениях. В соответствии с законом Кирхгофа для направленных характеристик такая поверхность будет интенсивно излучающей в наиравлении Солнца, но слабо излучающей в других направлениях. Так как падающее излучение распространяется только в направлении от Солнца, то данная поверхность будет поглощать излучение столь



ii;e хорошо, как и любая поглош,аюш,ая поверхность, не обладаю-ш,ая направленными свойствами, но будет испускать меньше излучения, чем поверхность, которая излучает одинаково хорошо во всех направлениях.

Характеристики одной из таких поверхностей приведены на фиг. 5.29. Поверхность имеет очень длинные параллельные канавки с углом раскрытия 18,2°. Боковые стенки каждой канавки представляют собой хорошо отражающие зеркальные поверхности, а дно - абсолютно черную поверхность. Сплошная кривая описывает свойства raKoii идеальной поверхности, полученные расчетным путем. Точки соответствуют экспериментальным результатам для реальной поверхности при длине волны 8 мк.м. Можно видеть, что направленная степень черноты имеет очень высокое значеьше при углах падения излучения, отсчитываемых от нормали к поверхности, менее ~ 30°, с увеличением угла она быстро падает. Подобными свойствами обладают многие другие поверхности аналогичной формы.

ПРИМЕР 5.4. Предположим,f что некоторая поверхность, обладающая направленными свойствами, для всех углов 9 имеет направленную интегральную степень черноты

е (Р) = 1 о<,р<зо°, 6 (Р) = о р > зo

Чему равна равновесная температура этой находящейся на Земле поверхности, если солнечное излучение падает на поверхность в направлении нормали и единственным способом передачи тепла является излучение? Как велика эта температура по сравнению с температурой абсолютно черной поверхности?

Поглощательная способность рассматриваемой поверхности, подвергаемой воздействию падающего излучения, равна единице. Поэтому поток поглощенного из.лучения определяется по формуле

<?п=(1)М, .

где qi - как и ранее, солнечная постоянная для объекта, находящегося от Солнца на расстоянии, равном среднему радиусу земной орбиты {qi = 1394 Вт/м^).

Поток собственного излучения тела при термодинамическом равновесии вычисляется следующим образом:

где - полусферическая интегральная степень черноты, определяемая выражением (3.66) в виде

е{ТА-~1еф. 0. rJcospdo).

Для условий данной задачи

30°

\ sin;p;cosрdp = 0,25.

р=о

Приравнивая Qa и Qe, для условий] радиационного равновесия получим

Т I Л' ( S50K

JvaBH~-[-) -\о,25-5,6693.10-8/ -з-У^-

Эта температура выше равновесной ге.мпературы абсолютно черной или серой диффузной поверхностп, которая, как было показано в примере 5.1, равна 396 К.

Следует заметить, что соотношением (5.5) можно пользоваться для определения ocJ как в случае обладающих направленными свойствами поверхностей, так и в случае спектрально-селективных поверхностей. Для поверхности, рассматриваемой в этом примере, ccJ = 4,0. Комбинируя селективные и направленные свойства, достигают существенного увеличения значений а /£ для данной поверхности.

Заметим также, что принятое в данном примере распределение степени черноты по направлению не соответствует распределению для изображенной на фиг. 5,29 поверхности с параллельными канавками. Для поверхности с канавками имеет место сильная зависимость от yr.ta 9, которая в данном примере не учитыва.тась.

5.6. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

В данной главе были рассмотрены примеры радиационных свойств, выявившие ряд особенностей, с которыми можно встретиться в случае реальных поверхностей. Можно попытаться сделать некоторые общие выводы. Например, при умеренных температурах интегральная степень черноты диэлектриков. выше, чем металлов, а спектральная степень черноты мета.плов в широколг диапазоне длин волн увеличивается с увеличением температуры. Однако эти общие правила могут нарушаться из-за больших из.\ге-нений свойств вследствие шероховатости поверхности, ее загрязнения, окисления, зернистой структуры и т. д. Имеющиеся в настоящее время теоретические зависимости не могут учесть все эти факторы, и поэтому невозможно непосредственно вычислить значения радиационных характеристик поверхностей, за исключением тех, которые приближаются по структуре и обработке к идеальным. Комбинируя теоретические н эксперилгенгальные результаты, можно определить, какие виды поверхностей подходят для конкретных условий и как изготовить поверхности, обла-



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 [ 30 ] 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156

© ООО "Карат-Авто", 2001 – 2018
Разработчик – Евгений Андрианов