Презентация "ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ" по физике – проект, доклад

ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

Тема № 4 ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ (РАДИАЦИОННЫЙ ТЕПЛООБМЕН). СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Под термином ИЗЛУЧЕНИЕ в теории теплообмена понимают совокупность электромагнитных волн и фотонов различной частоты, распространяющихся в физических средах и способных взаимодействовать с веществом в различных его формах. Термин излучение имеет 2(два) смысловых значения: ФОРМА эквивалент ПЕРЕНОСА термина ЭНЕРГИИ ИСПУСКАНИЕ (RADISTION) (EMISSION)

В зависимости от физического процесса взаимодействия излучения и вещества потоки излучения подразделяются на ●ИСХОДЯЩИЙ ●СОБСТВЕННЫЙ ●ПОГЛАЩЁННЫЙ ●ПАДАЮЩИЙ ●ОТРАЖЁННЫЙ ●РАССЕЯННЫЙ ●ОСЛАБЛЕННЫЙ ●ПРОПУЩЕННЫЙ ●РЕЗУЛЬТИРУЮЩИЙ

ИСХОДЯЩИЙ (ИСХ.) – сумма собственного, отражённого и пропущенного потоков. ПАДАЮЩИЙ (ПАД.) – приходящий на поверхность тела со всех направлений. ОСЛАБЛЕННЫЙ (ОСЛ.) – 1) сумма поглощённого и рассеянного потоков; 2) разность падающего и пропущенного. Выражает общую потерю энергии.

СОБСТВЕННЫЙ (СОБ.) – излучённый телом во всех направлениях. ОТРАЖЁННЫЙ (ОТР.) – отражаемый (обратно) телом во всех направлениях. ПРОПУЩЕННЫЙ (ПР.) – прошедший сквозь тело во всех направлениях.

ПОГЛАЩЁННЫЙ (ПОГЛ.) – поток (энергии), перешедший из формы излучения в форму теплового движения структурных элементов (атомов и молекул) поглощающего тела. РАССЕЯННЫЙ (РАС.) – часть падающего потока, изменившего в теле направление распространения, как бы «перераспределённого» между частями. РЕЗУЛЬТИРУЮЩИЙ (РЕЗ.) – разность собственного и поглощённого потоков, то есть поток энергии, переданной телу («оставшейся в нём») и пошедшей на изменение внутренней энергии тела в следствие испускания и поглощения.

ИСХОДЯЩИЙ = СОБСТВЕННЫЙ + ОТРАЖЁННЫЙ ПАДАЮЩИЙ = ПОГЛОЩЁННЫЙ + ОТРАЖЁННЫЙ + ПРОПУЩЕННЫЙ ОСЛАБЛЕННЫЙ = РАССЕЯННЫЙ + ПОГЛОЩЁННЫЙ

Интегральное излучение (Полный поток энергии излучения), Q [Вт] – энергия, излучаемая телом во всех направлениях в единицу времени. Излучательная способность (Плотность потока интегрального излучения), E [Вт/м2] – поток интегрального излучения с поверхности единичной площади: Спектральная излучательная способность (Спектральная плотность потока излучения), Jλ [Вт/м3] – излучательная способность в бесконечно малом диапазоне длин волн, отнесённая к этому диапазону: Яркость (Интенсивность) излучения, I [Вт/(м2·ср)] – количество энергии, излучаемой в единицу времени в направлении угла φ элементарной площадкой поверхности dS, отнесённое к единице телесного угла и единице площади проекции этой площадки на плоскость перпендикулярную направлению излучения: Спектральная яркость излучения [Вт/(м3·ср)]:

К определению телесного угла

Тепловое излучение ‒ электромагнитное излучение, энергия которого получена за счёт возбуждения теплового движения возбуждения тепловым движением атомов, молекул и других частиц вещества. Энергия теплового излучения ‒ энергия, переносимая электромагнитным излучением, полученным за счёт возбуждения тепловым движением частиц вещества.

Область теплового излучения в электромагнитном спектре

Процесс теплового излучения связан с последовательным превращением кинетической энергии частиц вещества в энергию их возбуждённого состояния и затем в энергию электромагнитного излучения. Из рассмотрения исключаются: ● случаи, когда процессы взаимодействия излучения и вещества вызывают какие-либо изменения в телах (ионизация, изменение свойств, химические реакции и др.); ● неравновесные процессы излучения (люми-несценция, хемилюминесценция; рекомбинационное, ударное и когерентное испускание); ● различные формы взаимодействия фаз излучения.

Поток теплового излучения ‒ количество энергии теплового излучения, переносимое за единицу времени через произвольную поверхность. Плотность потока теплового излучения (Излучательная способность теплового излучения), h [Вт/м2] ‒ поток излучения через поверхность (с поверхности) единичной площади.

Термодинамическое равновесие – состояние системы, адиабатически изолированной от окружающей среды, при котором объёмная плотность энергии для любой точки системы не меняется во времени, а термодинамические параметры, определяющие состояние любых её элементов, равны.

Равновесное (термодинамически равновесное) излучение – излучение, которое находится в состоянии термодинамического равновесия с испускающей его системой молекул стенки (внутренней поверхности) замкнутой полости.

Свойства равновесного излучения Eпогл = Eизл 1. Если во всех точках поверхности плотность потока излучения одинакова, то во всех точках полости равновесное значение объёмной плотности излучения одинаково. 2. Если процессы испускания происходят с одинаковой вероятностью по всем направлениям, то в каждой точке полости излучение изотропно. 3. Температура в каждой произвольной точке поля излучения одинакова и равна температуре полости в состоянии термодинамического равновесия.

В условиях термодинамического равновесия спектральная излучательная способность равна поглощательной способности при той же длине волны и температуре:

Абсолютно чёрное тело (АЧТ)  условное тело (физическая абстракция), которое полностью поглащает всё падающее на него излучение, независимо от направления распространения, спектрального состава и состояния поляризации излучения. Фундаментальные законы теплового излучения, характеризующие свойства равновесного излучения, формулируются как законы излучения абсолютно чёрного тела.

, [Вт/м3],  спектральный поток (спектральная излучательная способность) теплового излучения  отношение спектрального поверхностного потока в бесконечно малом спектральном интервале к величине этого интервала в одной из спектральных шкал: a,  спектральная поглощательная способность теплового излучения  отношение спектральной интенсивности (спектральной яркости) поглощённого теплового излучения к интенсивности падающего теплового излучения:

Закон Кирхгофа В условия термодинамического равновесия отношение спектральной плотности испускаемого потока излучения к спектральной поглощающей способности тела является одинаковым для всех тел и равным спектральной плотности потока излучения абсолютно чёрного тела при той же температуре.

Излучательная способность тела, тело,  отношение спектральной плотности потока излучения тела к спектральной плотности излучения абсолютно чёрного тела: 1-е следствие закона Кирхгофа: «В условиях термодинамического равновесия отношение излучательной способности тела к его спектральной поглощательной способности равно единице, то есть в условиях термодинамического равновесия излучательная и поглощательная способность тела равны»:

Удостоверимся в справедливости 1-го следствия:

2-е следствие закона Кирхгофа: «Так как у абсолютно чёрного тела а0,=1, а у остальных тел атело,<1, то из всех тел при одной и той же температуре максимальным спектральным излучением для всех длин волн обладает абсолютно чёрное тело». 3-е следствие закона Кирхгофа: «Если в замкнутой полости вещество и излучение находятся в состоянии термодинамического равновесия, то распределение по спектру объёмной плотности энергии излучения определяется только температурой замкнутой полости и не зависит от величин, характеризующих вещество стен полости. Следовательно, можно приписать понятие температуры не только полости, но и отдельным спектральным составляющим объёмной плотности энергии излучения В результате задача расчёта излучения реальных тел сводится к отысканию независящей от свойств вещества функции объёмной плотности излучения »

Закон Стефана-Больцмана Установлен экспериментально Стефаном в 1879 году и обоснован теоретически Больцманом в 1884 году и Планком в 1901 г. Закон Стефана-Больцмана устанавливает для равновесных условий связь интегрального полусферического потока излучения элемента поверхности абсолютно чёрного тела с его абсолютной температурой: «Плотность (поверхностная) потока равновесного излучения элемента поверхности абсолютно чёрного тела пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры: где 0  постоянная Стефана-Больцмана; 0=5.67032·10-8 Вт/(м2·К4). Закон Стефана-Больцмана  теоретическая основа для вычисления потока энергии, излучаемой всяким нагретым телом, если известны его (тела) температура и радиационные характеристики.

Определим: интенсивность объёмного излучения j [Вт/(м3·ср)]  мощность излучения в единице объёма в единичном телесном угле: Закон Ламберта «Интенсивность равновесного излучения на поверхности абсолютно чёрного тела не зависит от угла и направления, то есть интенсивность излучения абсолютно чёрного тела изотропна»

Закон Ламберта, сформулированный для интенсивности имеет вид: I  интенсивность в направлении  ; IN  интенсивность в направлении нормали; В энергетическая яркость.

Диффузное излучение  излучение, подчиняющееся закону Ламберта. Серая поверхность излучения  излучающая поверхность, удовлетворяющая двум условиям:  эффективное излучение  диффузное;  на изотермических участках поверхности плотность излучения постоянна.

32

Распределение относительной излучательной способности различных тел в зависимости от направления: 1  абсолютно чёрное тело; 2  серое тело; 3  окисленные металлы, диэлектрики, дерево, бумага; 4  полированные металлы.

Радиационные характеристики реальных тел Относительная излучательная способность    отношение энергии излучения реальной поверхности к энергии излучения абсолютно чёрного тела при той же температуре и прочих равных условиях. Поглощательная способность  А  отношение энергии, поглощённой данной поверхностью, к энергии, поглощённой поверхностью абсолютно чёрного тела при облучении их одним и тем же потоком падающего излучения. Отражательная способность  R  отношение энергии отражённой реальной поверхностью, к энергии, отражённой зеркальной (идеально отражающей) поверхностью при облучении их одним и тем же потоком падающего излучения. Пропускная способность (прозрачность)  D  отношение энергии, прошедшей через вещество тела, к энергии падающего излучения. (!Прозрачность  характеристика вещества (материала тела), а не поверхности).

A + R + D = 1 A + R + D = 1 Aν + Rν + Dν = 1 A=1 R=0 D=0  абсолютно чёрное тело A=0 R=1 D=0  зеркальная поверхность A=0 R=0 D=1  диатерическая среда сухой воздух D1

Поглощательная способность различных тел:   абсолютно чёрное тело;     серое тело;  •  •  •   селективно поглощающее тело [1].

[1] Кириллов, П.Л. Тепломассообмен в ядерных энергетических установках: Учебное пособие для вузов; 2-е изд., перераб. / П.Л. Кириллов, Г.П. Богословская. – М.: ИздАт, 2008. – 256 с.

Спектр поглощения углекислого газа [1]

Спектр поглощения водяного пара [1]

Зависимость ε=f(t, pl) для водяного пара: t – температура газа (водяного пара), оС; p – давление газа (водяного пара), Па; l ‒ толщина слоя газа (водяного пара), м; [1].

Плотность результирующего потока энергии, передаваемой от поверхности плоскости «1» к поверхности плоскости «2» равна где εпр – приведенная излучательная способность рассматриваемой системы рассчитывается по формуле

В предположении, что термическое сопротивление экрана мало: где Если ε1=ε2=εЭ , то

Таким образом, n одинаковых экранов уменьшают результирующий тепловой поток в (n–1) раз. Один экран уменьшает – в 2 раза.

Угловой коэффициент  ij  определяет долю диффузно распределённой энергии излучения, которая передаётся с поверхности i на поверхность j. Для двух поверхностей справедливы соотношения Угловые коэффициенты обладают следующими свойствами: 1) ij>0 ; 2) ij<1 ; 3) отражают лишь взаимное расположение тел.

Для системы из N тел имеет место свойство замыкания:

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООБМЕНА ИЗЛУЧЕНИЕМ

[2] Блох, А.Г. Теплообмен излучением: справочник / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н. Рыжков. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 432 с. [3] Рубцов, Н.А. Теплообмен излучением в сплошных средах / Н.А. Рубцов. – Новосибирск: СО Наука, 1984.

СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН ВИДЫ СЛОЖНОГО ТЕПЛООБМЕНА И МЕТОДЫ РАСЧЁТА На практике два или более механизмов теплообмена часто действуют одновременно ‒ теплопроводность и излучение, конвекция и излучение, или даже все три вместе. Обычный технический приём расчётов сложного теплообмена заключается в суммировании тепловых потоков каждого механизма теплообмена.

[4] Оцисик, М.Н. Сложный теплообмен: пер. с англ. / М.Н. Оцисик. – М.: Мир, 1976.

Вопросы, выносимые на зачёт 1. Тепловое излучение. Поток излучения: классификация. 2. Спектральный поток теплового излучения. Спектральная поглощательная способность. 3. Равновесное излучение. Его основные свойства. Диффузная поверхность. Серое тело. 4. Абсолютно чёрное тело. Закон Кирхгофа. 5. Закон Стефана-Больцмана (формулировка). Коэффициент теплообмена излучением. 6. Закон Ламберта. Типы отражательных поверхностей. 7. Радиационные характеристики реальных тел.

ДЗЯКУЙ ЗА ЎВАГУ THANK FOR YOUR ATTENTION

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ