Процес перетворення теплової енергії тіла в променисту називається тепловим випромінюванням.

Тепловий стан тіла характеризується його температурою.

Будь-яке тіло, що має температуру вище абсолютного нуля, безперервно випромінює променисту енергію. Залежно від температури і стану поверхні воно випускає ту чи іншу випромінювання. Більша частина цього випромінювання при температурах, які ми вміємо отримувати, лежить в інфрачервоній області.

Так, наприклад, якщо взяти всю енергію, що випромінюється вакуумної лампою при температурі вольфрамової нитки Г = 2500 ° К, за 100%, то тільки 7-12% променевої енергії припадає на енергетичне випромінювання у видимій частині спектру, а інша частина енергії, за винятком невеликих втрат в власниках нитки розжарювання, випромінюється в простір у вигляді інфрачервоних променів.

Якщо температура об'єкта перевищує 825 ° К, спектр випромінюваної енергії містить промені, видимі неозброєним оком. Зміна кольору об'єкта обумовлюється його тепловим випромінюванням в залежності від температури (табл. 1).

Результати простого спостереження вказують на близьку спорідненість теплових променів і променів видимого світла. Разом з тим ми знаємо, що при температурі нижче 825 ° К випромінювання стають невидимими.

Якісні особливості теплового випромінювання визначаються різницею в довжинах хвиль, що залежать від температури випромінювачів. При зустрічаються в теплотехнічної практиці температурах передача тепла випромінюванням відбувається в ближній інфрачервоній області спектра, що тягнеться на довжини хвиль від 0,77 до 3 мк, а в середній області спектра з довжинами хвиль 3 10 мк. Випромінювання у видимій області спектра з довжинами хвиль 0,4-0,77 мк значно помітно тільки в електричних випромінювачів з дуже високими температурами нитки напруження.

Випромінювання, що випускається тілом, називають монохроматичним, якщо воно відповідає вузькому інтервалу довжин хвилі від X до X + dX і інтегральним (повним), якщо воно відповідає інтегралу довжин хвиль від X = 0 до X = 00.

Якщо променистий потік падає на поверхню тіла, то одна частина потоку відбивається (дзеркально або дифузно), інша проходить крізь тіло і в залежності від його коефіцієнта заломлення змінює свій напрямок, а третя частина цілком поглинається тілом.

Відбивна здатність тіла (коефіцієнт відбиття) характеризується відношенням відображеної тілом променевої енергії Еотр до падаючої енергії Епая:

Відображення падаючого потоку може бути дзеркальним (кут падіння дорівнює куту відбиття) або дифузним (розсіяним). Дзеркальне відображення дають поліровані поверхні, причому величина коефіцієнта відбиття г залежить від ступеня полірування поверхні. Коефіцієнти пропускання і поглинання залежать від хімічної будови і структури речовини, а також від товщини шару речовини, що опромінюється. Для рідких і газоподібних речовин величина цих коефіцієнтів характеризується розмірами і кількістю окремих частинок складових ці речовини. якщо

В цьому випадку промениста енергія, падаюча на тіло, проходить через нього. Таке тіло називається абсолютно прозорим (діатермічне) ./ p>

У природі немає абсолютно чорних, білих і прозорих тіл. Тому співвідношення між а, г і d залежать від виду тіл, характеру їх поверхні і температури (наші звичайні оцінки кольору поверхні незастосовні до інфрачервоного випромінювання; більшість поверхонь за коефіцієнтом поглинання може бути віднесено до розряду «чорних»). Всі тверді тіла і рідини (в шарі товщиною в кілька міліметрів) для області інфрачервоного випромінювання практично не прозора Для них rf = 0 і a + r = 1. Гази; за винятком вуглекислоти і водяної пари, для цієї області спектра діатермічне.

Отже, якщо дане тіло добре відображає променисту енергію, то це ж тіло погано поглинає її і навпаки. Однак існують тіла, які в певному діапазоні хвиль і при певній товщині їх шару є прозорими для променевої енергій.

Наприклад, кварц при товщині до 1 мм прозорий для світлових, ультрафіолетових і інфрачервоних променів, але при товщині в кілька мм він уже стає непрозорим для інфрачервоних. Віконне скло прозоро для світлових променів (знову- таки до певної товщини), але не прозоро для ультрафіолетових і інфрачервоних з довжиною хвилі Я більше 5 мк. Кам'яна сіль прозора для інфрачервоних променів і непрозора для ультрафіолетових.

Аналогічне становище спостерігається також при поглинанні і відображенні променевої енергії. Білі поверхні добре відображають видимі світлові промені і практично поглинають інфрачервоні. Для поглинання і відображення інфрачервоних променів велике значення має стан поверхні тіла. Відбивна здатність у гладких і полірованих поверхонь у багато разів вище, ніж у шорсткуватих. Найбільшою поглощательной здатністю володіють тіла, покриті платиновою черню або сажею. В обмеженому інтервалі довжин хвиль вони поглинають до 90-96% інфрачервоного випромінювання.

У табл. 2 наведені величини а, г і d. для деяких матеріалів при опроміненні світловими і близькими до них інфрачервоними променями.

Найбільш повно властивостями абсолютно чорного тіла володіє отвір у стінці порожньої кулі, запропоноване російським фізиком В. А. Михельсоном.

Це тіло, схема якого показана на рис. 3, являє собою порожнистий куля з невеликим отвором і зачерненной внутрішньою поверхнею, поглинальна здатність якої дорівнює 90%. Якщо направити потік променевої енергії через отвір кулі, то при падінні променя на внутрішню стінку 90% енергії поглине, відбитий ж від неї променистий потік (10%) знову потрапляє на стінку і при вторинному відображенні знизить свою енергію до 1% початкової величини, а при подальшому відображенні до 0,1%. Якщо променистий потік вийде з отвору після триразового відображення, то сумарна поглинальна здатність полого тіла дорівнюватиме 0,999, т. Е. Дуже близька до одиниці.

Внутрішня поверхня полого тіла не тільки поглинає, але при нагріванні його до певної температури випромінює як абсолютно чорне тіло. Ці особливості відображення і поглинання променевої енергії, в підлогою кулі проявляються і в практичних умовах інфрачервоного нагріву тел. Так, наприклад, чим глибше западини (шорсткість) на поверхні, що опромінюється тіла, тим вище його поглинальна здатність в порівнянні з більш гладкою поверхнею даного тіла. Цим можна пояснити збільшення поглинальної здатності тел при збільшенні їх шорсткості або пористості.

При розрахунках, пов'язаних з променистим теплообміном, застосовуються поняття про променистому потоці Q, енергії випромінювання Е і спектральної інтенсивності випромінювання /.

Променистим потоком називається загальна кількість енергії, що випромінюється поверхнею тіла F в одиницю часу, т. Е.

Ця величина характеризує повну потужність випромінювача.

Енергією випромінювання називається кількість енергії, випромінюваної одиницею поверхні тіла в одиницю часу.

Ця величина характеризує питому потужність випромінювача. Спектральної інтенсивністю випромінювання називається питома енергія монохроматичноговипромінювання, що характеризує спектральну питому потужність випромінювача, т. Е.

Випромінювання будь-якого твердого тіла характеризується безперервним спектром розподілу енергії випромінювання по довжинах хвиль, однак сам спектр випромінювання є нерівномірним і різним для різних тіл.

В основу теплотехнічних розрахунків при випромінюванні покладені універсальні закони випромінювання абсолютно чорного тіла, що поглинає випромінювання будь-якої довжини хвилі. Розподіл інтенсивності випромінювання абсолютно чорного тіла залежно від його температури і довжини хвилі випромінювання показано кривими на рис. 4. Характерними особливостями цих кривих є: наявність різних максимумів інтенсивності випромінювання для різних температур, різкий спад кривих в сторону коротких хвиль і пологий спад в бік довгих хвиль. Це справедливо і для застосовуваних в практиці випромінювачів (за винятком газових з пористими випромінюють насадками), інтенсивність випромінювання яких показана на рис. 5.

Про особливості спектра випромінювання газових пальників інфрачервоного випромінювання з пористими насадками буде сказано нижче.

Закон Планка встановлює залежність інтенсивності випромінювання для чорного тіла від довжини хвилі Я і від абсолютної температури Т:

Якщо цей вислів підставити у вираз для / хо, то максимум інтенсивності випромінювання, пропорційний п'ятого ступеня температури, різко зростає зі збільшенням Т.

Користуючись цим законом, легко визначити довжину хвилі, відповідну максимуму інтенсивності випромінювання абсолютно чорного тіла.

Закон Стефана - Больцмана встановлює залежність повної енергії випромінювання абсолютно чорного тіла від температури. Кількість енергії, що випромінюється чорним тілом при будь-якій довжині хвилі при даній температурі Г, може бути знайдено з виразу.

Наведені формули для Е0 представляють математичний вираз закону Стефана - Больцмана.

Закон Стефана - Больцмана залишається справедливим і для інших тіл, які, як і чорні тіла, мають безперервний спектр випромінювання. Такі тіла, для яких дотримується закон четверте ступенів Е = С (0,011 Г) 4, називаються сірими тілами, а їх випромінювання-сірим. Для таких тіл відношення спектральної інтенсивності випромінювання до інтенсивності чорного випромінювання при тій же довжині променя для всього інтервалу довжини хвиль від 0 до оо залишається постійним, т. Е.

т. е. вона менше енергії випромінювання абсолютно чорного тіла при тій же температурі; s (ступінь чорноти тіла) - безрозмірна досвідчена величина, яка змінюється від 0 до 1; для ряду матеріалів значення наведені в табл. 3.

Для більшості реальних тел 8 не завжди і залежить від температури, з ростом якої 8 збільшується.

При нагріванні гладких неокислених полірованих поверхонь, що мають малу ступінь чорноти, внаслідок окислення поверхні в інтервалі температур 200-400 ° С величина не різко збільшується. Ступінь чорноти шорсткуватих поверхонь у багато разів більше ступеня чорноти гладких полірованих поверхонь.

Закон Кірхгофа. Відповідно до закону Кірхгофа, ставлення випромінювальної здатності Е до поглощательной А для всіх тіл однаково рівно випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла при тій же температурі і залежить тільки від температури.

Закон Кірхгофа виводиться з розгляду променистого теплообміну між абсолютно чорної і сірої пластинами, поміщеними на невеликій відстані один від одного. Температура обох пластин однакова, і, отже, теплообмін між ними відсутній.

Сіра поверхня випромінює Е ккал / м2 • год енергії, яку чорна поверхня повністю поглинає.

Чорна поверхня випромінює енергію в кількості Е0. Потрапляючи на сіру поверхню, ця енергія частково, в кількості АЕ0, поглинається, а інша частина енергії в кількості відбивається і повністю поглинається чорною поверхнею, т. Е. Баланс променистого обміну можна записати в такий спосіб:

Закон Ламберта (закон косинусів). Цей закон встановлює, що випромінювальна здатність в напрямку під кутом EQ (напрямок випромінювання становить з нормаллю до випромінюваної поверхні кут ф) і випромінювальна здатність поверхні в нормальному напрямку Е пов'язані співвідношенням:

Це рівняння є основою для розрахунку променистого теплообміну між поверхнями кінцевих розмірів.

Розрахункові формули для теплообміну випромінюванням. Загальна формула для розрахунку теплообміну випромінюванням між двома непрозорими тілами на підставі закону Стефана - Больцмана, має вигляд •

При розрахунку промислових печей найчастіше зустрічається таке розташування тіл:

а) дві плоскі паралельні необмежені поверхні;

б) дві замкнуті поверхні довільної форми, що охоплюють одна іншу;

в) дві плоскі поверхні, довільно розташовані в просторі одна відносно іншої.

Значення величин ЕПР, ф і F можуть бути визначені теоретично і експериментально з використанням методу моделювання.

При теплообміні випромінюванням між двома плоскими паралельними поверхнями ф = 1 і

Передача тепла випромінюванням при довільному розташуванні тіл у просторі проводиться за вищенаведеною формулою з введенням в неї додаткового множника - середнього кутового коефіцієнта ф1> 2

Так як обчислення середнього кутового коефіцієнта за рівнянням з подвійним інтегралом викликає значні труднощі, то його зазвичай визначають графічним шляхом або за спрощеними формулами, що враховують взаємне розташування і форму випромінюючих поверхонь. Ці графіки і формули наведені в спеціальній літературі з питань променистого теплообміну.

Теплообмін між двома плоскими поверхнями, довільно розташованими в просторі, розглядається нижче. Значення ЕПР можуть бути визначені і методом променевого сальдо, запропонованим Г. Л. Поляком. Сутність цього методу полягає в наступному.

Результативний транзит променевої енергії крізь зовнішню поверхню тіла може бути розрахований двома способами (рис. 6).

Крізь праву контрольну поверхню (пунктирна лінія) від тіла йде випускається їм власна енергія Есоб і відображена енергія Сума власної і відображеної енергій названа ефективної енергією? Еф Через ту ж контрольну поверхню в сторону тіла проходить падаюча енергія? Пад.

Якщо температура тіла нижче температури навколишнього середовища, то результативний транзит енергії дорівнює перевищенню Епад над Едф і спрямований в бік тіла. Це перевищення, назване Г. J1. Поляком променистим сальдо, є кількістю тепла, отриманим тілом

Слід також вказати на поняття про кольорову і яскравості температурах.

Колірною температурою Тц називається температура абсолютно чорного тіла, що має для двох певних спектральних ділянок то ж відношення яркостей, що в даний тіло, що має температуру Т. Для всіх металів колірна температура Тц вище, ніж справжня температура тіла Т.

Яркостной температурою Т називається температура абсолютно чорного тіла, що має ту ж візуальну монохроматичну яскравість для певної довжини хвилі, що і даний випромінювач, що має температуру Т. Яскравості температура завжди менше істинної температури тіла.

А. І. БОГОМОЛОВ, Д. Я. Вигдорчик. М. А. МАВВСКІЙ: ГАЗОВІ ПАЛЬНИКА ІНФРАЧЕРВОНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ