В отличие от твердых тел, газы способны поглощать и излучать энергию лишь в определенных интервалах длин волн. Для лучей с другими длинами волн газы прозрачны и энергия их излучения равна нулю.

В газах поглощение и излучение происходят во всем объеме, вследствие чего поглощательная и лучеиспускательная способности газа зависят от формы газового слоя (т.е. формы сосуда, в котором находится газ), а также от его толщины и парциального давления излучающего газа в газовой смеси.

Совместная передача тепла конвекцией и лучеиспусканием

Передача тепла лучеиспусканием обычно сопровождается одновременной передачей тепла конвекцией. Пусть от стенки с абсолютной температурой Тст тепло передается к среде с абсолютной температурой Т (соответствующие температуры в °С будут tст и t).

Тепло, передаваемое конвекцией, составит (αк – коэффициент теплоотдачи при конвекции):

Qк = αкF(tст – t)

а тепло, передаваемое лучеиспусканием

.

Общее количество передаваемого тепла равно:

.

Второй член выражения, заключенный в квадратные скобки, называется коэффициентом теплоотдачи при лучеиспускании. Таким образом

,

где общий коэффициент теплоотдачи (при совместной передаче тепла конвекцией и лучеиспусканием)

α = αк + αл.

Черные температуры

Законы теплового излучения позволяют в качестве характеристики нечерного тела наряду со степенью черноты ввести так называемую черную температуру. Под черной температурой понимается такая условная температура, которую должно иметь данное тело, чтобы испускаемое им излучение было черным. Каждое тело может характеризоваться целым рядом черных температур в зависимости от рода испускаемого им излучения. При сопоставлении полных интегральных потоков излучения тела с температурой Т и абсолютно черного тела черная температура носит название радиационной Тр. По определению

Е (Т) = Е0 (Тр)

или согласно закону Стефана – Больцмана

σεТ4 = σТ4р,

откуда действительная температура тела выражается через радиационную зависимость

.

Если черная температура определяется по сравнению цвета данного тела с цветом абсолютно черного тела, то она называется цветовой температурой (Тц). При этом обычно рассматривается монохроматическое излучение лишь для каких-либо двух длин волн (двух цветов). По определению должно иметь место соотношение

.

При сравнении яркости монохроматических излучений данного тела и абсолютно черного тела черная температура носит название яркостной (Тя). По определению

Bλ(T) = B0λ(Tя)

Приведенные формулы и соотношения лежат в основе оптических методов измерения высоких температур.

Потери тепла в окружающую среду

Отдача тепла от поверхности аппарата в окружающую среду происходит путем конвекции и лучеиспускания; поэтому при расчете потерь тепла в окружающую среду следует пользоваться уравнением совместной отдачи тепла конвекцией и лучеиспусканием.

При расчете потерь тепла аппаратом, установленным в помещении, для определения общего коэффициента теплоотдачи можно применять следующую приближенную формулу (при tст от 50 до 350°С):

α = 9,3 + 0,058tст, вт/м2∙град.

Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду аппараты покрывают слоем тепловой изоляции, слоем материала с низкой теплопроводностью. При нанесении тепловой изоляции увеличивается тепловое сопротивление стенки и уменьшается температура ее наружной поверхности. Тепловой изоляцией покрывают наружные поверхности аппаратов. Для предохранения стенки аппарата от воздействия очень высоких температур изоляцию наносят с внутренней стороны стенки.

Увеличение толщины изоляции ведет к возрастанию ее наружной поверхности. Поэтому с увеличением толщины изоляции потери тепла уменьшаются лишь до известного предела. При выборе толщины изоляции следует исходить из допустимых потерь тепла или допустимой температуры стенки с учетом стоимости самой изоляции.

Литература

1. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. Москва. Энергия. 1969.

2. Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии. Москва. Химия. 1968.

3. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Москва. Химия. 1971.