Теплообмен излучением. Теплоэнергетические установки

.

(11.18)

 

Здесь Аλ — поглощающая способность в узком интервале длин волн. Следовательно, тело, излучающее энергию при какой-либо длине волны, способно поглощать ее при этой же длине волны. На основании равенства (11.17) можно записать Е=А·E0. Однако по (11.16) Е=ε·E0. Таким образом, из закона Кирхгофа также следует, что поглощающая способность серого тела численно равна степени его черноты, то есть А=ε.

Закон Ламберта. Определяет изменение энергии излучения по отдельным направлениям. Согласно этому закону, поток излучения абсолютно черного тела в данном направлении, характеризуемый величиной Jφ, пропорционален потоку излучения в направлении нормали к поверхности Jн и косинусу угла между ними, то есть

.

(11.19)

 
 

 

3. Применения законов  теплового излучения

 

Большинство искусственных источников света является тепловыми излучателями (электрические лампы накаливания, обычные дуговые лампы и т.п.). Однако эти источники света не являются экономичными.

Как известно, глаз человека обладает чувствительностью только к очень узкому участку спектра (от 0,380 мкм до 0,770 мкм). Все остальные волны не вызывают зрительного ощущения. Максимальная чувствительность глаза соответствует λ = 0,555 мкм.

Исходя из этого свойства глаза, следует требовать от источников света такого распределения энергии в спектре, при котором максимальная излучательная способность попадала бы на λ = 0,555 мкм или около нее[5, с. 57].

Если в качестве такого источника взять АЧТ, то п о закону смещения Вина можно вычислить его абсолютную температуру . Таким образом, наиболее выгодный тепловой источник света должен иметь температуру примерно 5200К, что хорошо соответствует температуре солнечной поверхности. Такое совпадение является результатом биологического приспособления человеческого зрения к распределению энергии в спектре солнечного излучения. Но и у этого источника света КПД (отношение энергии видимого излучения к энергии всего излучения) будет невелик (рис.6а). Расчет показывает, что при T = 5000-6000К, КПД ~14-15%. 

Рис. 8.

При температуре же существующих искусственных источников света примерно 3000К, КПД h~1-3%, что видно из соотношения площадей S1 и S (рис.8), где S1 выражает энергию излучения видимой области спектра, S – всю энергию излучения.

Такая невысокая «световая отдача» теплового излучателя объясняется тем, что при хаотичном движении атомов и молекул возбуждаются не только световые (видимые), но и другие электромагнитные волны, которые не оказывают светового воздействия на глаз.

Важнейшие из современных температурных источников света – электрические лампы накаливания с вольфрамовой нитью (температура плавления Тпл.=3655К). Однако, нагрев нити до Т>2500К опасен, т.к. вольфрам быстро распыляется и нить разрушается. Для уменьшения распыления нити было предложено наполнять лампы инертным газом (Ar, Xe, N) при давлении p~0,5 атм. Это позволило поднять Т нити до 3000-3200К. При этих температурах максимум излучательной способности лежит в области ИК волн (~1,1 мк), поэтому все современные лампы накаливания имеют η~1%.

Изложенные выше законы излучения АЧТ позволяют определить температуру этого тела, если известна длина волны λm, соответствующая максимуму uλ,T (закон Вина) или если известна величина светимости (закон Стефана-Больцмана). Методы определения температуры тела по его тепловому излучению называются оптической пирометрией (ОП). Они особенно удобны при измерении высоких температур. В зависимости от метода наблюдения оптически определяется одна из трех условных температур: радиационная, цветовая и яркостная. Переход к истинной температуре требует знания дополнительных параметров излучающего тела.

Приборы для измерения температуры непрозрачных тел по их излучению в оптическом диапазоне спектра называются пирометрами (от греч. pýr — огонь).

Тело, температуру которого определяют при помощи пирометра, должно находиться в тепловом равновесии и обладать коэффициентом поглощения, близким к единице.

Поскольку упомянутые законы применимы к АЧТ, то ОП, основанная на них, дает хорошие результаты только при измерении температур тел, близких по своим свойствам к АЧТ (заводские печи, лабораторные муфельные печи, топки котлов и т.п.).

Способы определения температуры тепловых излучателей

а) Метод, основанный на законе смещения Вина

Если нам известна та длина волны λ = λm, на которую приходится максимум излучательной способности, то температура тела легко определяется (λmТ = b1). В частности, так определяется температура на поверхности Солнца, звезд и т.д.

б) Радиационный способ измерения Т

В основе этого способа лежит измерение светимости тела R. Соответствующие приборы называются радиационными пирометрами (РП).

Естественно, что если излучающее тело не является АЧТ, то РП не даст истинной температуры тела, а покажет ту температуру АЧТ, при которой интегральная излучательная способность последнего RАЧТ =Rиспыт.тела. Такая температура тела называется радиационной или энергетической температурой.

Из недостатков РП укажем на невозможность его применения для определения температур небольших объектов, а также на влияние среды, находящейся между объектом и пирометром, которая поглощает часть излучения.

в) Яркостный метод определения температур

Данный метод основан на визуальном сравнении яркости свечения раскаленной нити лампы пирометра с яркостью изображения накаленного испытуемого тела (рис. 9)[4, с. 102].

Виды пирометров

Основным типом является яркостный пирометр, обеспечивающий наибольшую точность измерений температуры в диапазоне 103—104 К. В простейшем визуальном яркостном пирометре с исчезающей нитью (рис. 9) объектив фокусирует изображение исследуемого тела на плоскость, в которой расположена нить (ленточка) эталонной лампы накаливания. Через окуляр и красный фильтр, позволяющий выделять узкую спектральную область около длины волны λ = 0,65 мкм, нить рассматривают на фоне изображения тела и, изменяя ток накала нити, добиваются выравнивания яркостей нити и тела (нить в этот момент становится неразличимой).

 

 

Рис. 9.

Шкала прибора, регистрирующего ток накала, прокалибрована обычно в °С или К, и в момент выравнивания яркостей прибор показывает так называемую яркостную температуру (Tb) тела. Истинная температура тела Т определяется на основе законов теплового излучения Кирхгофа и Планка по формуле:

Т = Tbc2/(c2  +λэּ Тb ּ ln aλ,T)                (13),

где c2 = 0,014388 м ּК, aλ,T — коэффициент поглощения тела,λэ — эффективная длина волны пирометра.

Точность результата в первую очередь зависит от строгости выполнения условий измерений (aλ,T ≈ 1 и др.). Основная инструментальная погрешность обусловлена нестабильностью температурной лампы. Заметную погрешность могут вносить также индивидуальные особенности глаза наблюдателя. Уфотоэлектрических пирометров (рис. 10) этот вид погрешности отсутствует. Погрешность образцовых лабораторных фотоэлектрических пирометров не превышает сотых долей градуса приТ=1273 К. Промышленные серийные фотоэлектрические пирометры обладают на порядок большей погрешностью, визуальные — ещё на порядок большей.

Рис. 10.

Для измерения температуры тел, у которых a ≈ const в оптическом диапазоне спектра, применяютцветовые пирометры. Этими пирометрами определяют обычно отношение яркостей в синей и красной областях спектра b1(λ1, T)/b2(λ2, T) (например, для длин волн λ1 = 0,48 мкм и λ2 = 0,60 мкм).Шкала прибора прокалибрована в °С и показывает цветовую температуру Tc. Истинная температура Ттела определяется по формуле

                  (14).

Цветовые пирометры менее точны, менее чувствительны и более сложны, чем яркостные и применяются в том же диапазоне температур.

Наиболее чувствительны (но и наименее точны) радиационные пирометры, или пирометры суммарного излучения, регистрирующие полное излучение тела. Действие их основано на законах излучения Стефана-Больцмана и Кирхгофа. Объектив радиационных пирометров фокусирует наблюдаемое излучение на приёмник (обычно термостолбик или болометр), сигнал которого регистрируется прибором, прокалиброванным по излучению абсолютно чёрного тела и показывающимрадиационную температуру Tr. Истинная температура определяется по формуле

                                            (15),

где aT — полный коэффициент поглощения тела. Радиационными пирометрами можно измерять температуру, начиная с 200°С. В промышленности пирометры широко применяют в системах контроля и управления температурными режимами разнообразных технологических процессов.

Ночью при отсутствии солнечного света человек в темноте перестает видеть окружающие его предметы. Однако, все они, имея ненулевую температуру, испускают электромагнитное тепловое излучение и ночью. С помощью закона Вина можно оценить длину волны, на которую приходится максимум излучательной способности тела, если известна его температура. Из этой оценки следует, что при средней температуре тел порядка 300 К основная энергия их теплового излучения приходится на инфракрасное излучение с длиной волны порядка 10 мкм (рис.6в). Излучение в видимой области спектра (0,4 мкм < λ < 0,7 мкм) при таких температурах имеет слишком малую энергию и не может быть обнаружено невооруженным глазом.

Так как в сторону неба система наземных тел не является замкнутой, то равновесия между телами у поверхности Земли и их излучением не устанавливается. А значит все тела, температура которых несколько больше, чем температура земной поверхности, могут быть зафиксированы в микроволновом диапазоне как излучающие объекты. Увидеть такие источники инфракрасного излучения можно только с помощью специальных приборов, в которых микроволновое невидимое глазом излучение регистрируется специальными датчиками инфракрасного излучения и преобразуется в модулированные электрические сигналы, которые управляют электронным пучком, дающим на экране кинескопа видимое изображение предметов.

В конце XX века произошло качественное изменение техники ночного видения, связанное с созданием электронно-оптических преобразователей нового типа. С помощью современных биноклей и прицелов ночного видения наблюдатель может получить в темноте видимое изображение достаточно высокого качества человека на расстоянии нескольких сот метров или движущегося танка на расстоянии нескольких километров. А пилотажные очки ночного видения позволяют эксплуатировать вертолеты в условиях ограниченной видимости практически круглые сутки.

 

4. Теплоэнергетические  установки

 

 

Теплоэнергетические установки, потребляющие около 1 2 млрд. т условного топлива в год, широко применяются в промышленности, на транспорте и в сельском хозяйстве.

Теплоэнергетические установки сельскохозяйственных предприятий ( котлы, теплогенераторы, отопительные агрегаты, сушильные установки), работающие на органическом топливе, являются также источниками загрязнения атмосферы. 

Стационарные электротехнические и теплоэнергетические установки, если они не автоматизированы, обслуживаются посменно постоянным штатом дежурных, количество которых определяют в проектах по действующим нормативам. Автоматизированные установки и все сети электрических проводок и трубопроводов обслуживают дежурные линейные слесари и монтеры, ведущие также контроль состояния тепловых и электрических подводок к технологическому оборудованию ( паровые сушильные печи, автоклавы, электрованны и др.), требующих специальных знаний правил техники безопасности. 

Каждая теплоэнергетическая установка работает по определенному циклу. При работе установки в реальных условиях в ней возникают вследствие несовершенства процессов различные потери теплоты и работы: от трения, от излучения во внешнюю среду и по другим причинам. Цикл, в котором не учитываются реальные потери, называется идеальным. 

Все теплоэнергетические установки, термодинамические основы работы которых были рассмотрены выше, объединяет то обстоятельство, что в них превращение химической ( или ядерной) энергии топлива в электроэнергию осуществляется ступенчато - сначала получается тепловая энергия, затем - механическая и только после этого - электрическая. 

Надежность теплоэнергетических установок во многом определяется принятыми схемными и конструктивными решениями на стадии их проектирования. Из этого следует, что в числе основных задач, решаемых в процессе проектирования, должна быть задача по такому распределению материальных средств и технических ресурсов, которое обеспечивает оптимальное соотношение надежности будущей установки и остальных технико-экономических ее показателей. 

Проектирование теплоэнергетических установок включает выбор оптимальных параметров и характеристик их технологической схемы, конструкций, материалов и компоновок. По своей природе характеристики вида схемы целочисленны, а характеристики компоновок, типов конструкций и их стандартизованные параметры - целочисленны. В то же время термодинамические и расходные параметры связей между узлами оборудования, формирующими схему, по своей природе непрерывны и могут изменяться в технически допустимых диапазонах их значений для каждого типа конструкций узлов и вида их соединений в схеме. Непрерывны также некоторые конструктивные параметры узлов.