ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

Август 31, 2022

Главная
Физика
ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

Содержание

2. ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ Тема № 4 ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ (РАДИАЦИОННЫЙ ТЕПЛООБМЕН). СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН
3. Под термином ИЗЛУЧЕНИЕ в теории теплообмена понимают совокупность электромагнитных волн и фотонов различной частоты, распространяющихся в
4. В зависимости от физического процесса взаимодействия излучения и вещества потоки излучения подразделяются на ●ИСХОДЯЩИЙ ●СОБСТВЕННЫЙ ●ПОГЛАЩЁННЫЙ
5. ИСХОДЯЩИЙ (ИСХ.) – сумма собственного, отражённого и пропущенного потоков. ПАДАЮЩИЙ (ПАД.) – приходящий на поверхность тела
6. СОБСТВЕННЫЙ (СОБ.) – излучённый телом во всех направлениях. ОТРАЖЁННЫЙ (ОТР.) – отражаемый (обратно) телом во всех
7. ПОГЛАЩЁННЫЙ (ПОГЛ.) – поток (энергии), перешедший из формы излучения в форму теплового движения структурных элементов (атомов
8. ИСХОДЯЩИЙ = СОБСТВЕННЫЙ + ОТРАЖЁННЫЙ ПАДАЮЩИЙ = ПОГЛОЩЁННЫЙ + ОТРАЖЁННЫЙ + ПРОПУЩЕННЫЙ ОСЛАБЛЕННЫЙ = РАССЕЯННЫЙ +
9. 09
10. Интегральное излучение (Полный поток энергии излучения), Q [Вт] – энергия, излучаемая телом во всех направлениях в
11. 11 К определению телесного угла
12. 12
13. 13
14. Тепловое излучение ‒ электромагнитное излучение, энергия которого получена за счёт возбуждения теплового движения возбуждения тепловым движением
15. Область теплового излучения в электромагнитном спектре 15
16. Процесс теплового излучения связан с последовательным превращением кинетической энергии частиц вещества в энергию их возбуждённого состояния
17. Поток теплового излучения ‒ количество энергии теплового излучения, переносимое за единицу времени через произвольную поверхность. Плотность
18. Термодинамическое равновесие – состояние системы, адиабатически изолированной от окружающей среды, при котором объёмная плотность энергии для
19. Свойства равновесного излучения Eпогл = Eизл 1. Если во всех точках поверхности плотность потока излучения одинакова,
20. В условиях термодинамического равновесия спектральная излучательная способность равна поглощательной способности при той же длине волны и
21. Абсолютно чёрное тело (АЧТ)  условное тело (физическая абстракция), которое полностью поглащает всё падающее на него
22. , [Вт/м3],  спектральный поток (спектральная излучательная способность) теплового излучения  отношение спектрального поверхностного потока в
23. Закон Кирхгофа В условия термодинамического равновесия отношение спектральной плотности испускаемого потока излучения к спектральной поглощающей способности
24. Излучательная способность тела, тело,  отношение спектральной плотности потока излучения тела к спектральной плотности излучения абсолютно
25. Удостоверимся в справедливости 1-го следствия: 25
26. 2-е следствие закона Кирхгофа: «Так как у абсолютно чёрного тела а0,=1, а у остальных тел атело,
27. Закон Стефана-Больцмана Установлен экспериментально Стефаном в 1879 году и обоснован теоретически Больцманом в 1884 году и
28. Определим: интенсивность объёмного излучения j [Вт/(м3·ср)]  мощность излучения в единице объёма в единичном телесном угле:
29. Закон Ламберта, сформулированный для интенсивности имеет вид: I  интенсивность в направлении  ; IN 
30. 30
31. 31
32. 32
33. 32 Распределение относительной излучательной способности различных тел в зависимости от направления: 1  абсолютно чёрное тело;
34. Радиационные характеристики реальных тел Относительная излучательная способность    отношение энергии излучения реальной поверхности к
35. A + R + D = 1 A + R + D = 1 Aν +
36. 36 Поглощательная способность различных тел:   абсолютно чёрное тело;     серое тело;
37. Спектр поглощения углекислого газа [1] 37
38. Спектр поглощения водяного пара [1] 38
39. Зависимость ε=f(t, pl) для водяного пара: t – температура газа (водяного пара), оС; p – давление
40. Плотность результирующего потока энергии, передаваемой от поверхности плоскости «1» к поверхности плоскости «2» равна где εпр
41. В предположении, что термическое сопротивление экрана мало: где Если ε1=ε2=εЭ , то Таким образом, n одинаковых
42. Угловой коэффициент  ij  определяет долю диффузно распределённой энергии излучения, которая передаётся с поверхности i
43. Для системы из N тел имеет место свойство замыкания: 43
44. 44
45. КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООБМЕНА ИЗЛУЧЕНИЕМ 45
46. 46 [2] Блох, А.Г. Теплообмен излучением: справочник / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н. Рыжков. – М.:
47. СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН ВИДЫ СЛОЖНОГО ТЕПЛООБМЕНА И МЕТОДЫ РАСЧЁТА На практике два или более механизмов теплообмена часто
48. Вопросы, выносимые на зачёт 1. Тепловое излучение. Поток излучения: классификация. 2. Спектральный поток теплового излучения. Спектральная
50. Скачать презентацию

Слайд 2

ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
Тема № 4
ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ
(РАДИАЦИОННЫЙ ТЕПЛООБМЕН).
СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Слайд 3

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)

Слайд 4

В зависимости от физического процесса взаимодействия излучения и вещества потоки излучения

подразделяются на
●ИСХОДЯЩИЙ ●СОБСТВЕННЫЙ ●ПОГЛАЩЁННЫЙ
●ПАДАЮЩИЙ ●ОТРАЖЁННЫЙ ●РАССЕЯННЫЙ
●ОСЛАБЛЕННЫЙ ●ПРОПУЩЕННЫЙ ●РЕЗУЛЬТИРУЮЩИЙ

Слайд 5

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.

Слайд 6

СОБСТВЕННЫЙ (СОБ.) – излучённый телом во всех направлениях.
ОТРАЖЁННЫЙ (ОТР.) – отражаемый

(обратно) телом во всех направлениях.
ПРОПУЩЕННЫЙ (ПР.) – прошедший сквозь тело во всех направлениях.

Слайд 7

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.

Слайд 8

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

= РАССЕЯННЫЙ + ПОГЛОЩЁННЫЙ

Слайд 9

09

Слайд 10

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)]:

Слайд 11

11
К определению телесного угла

Слайд 12

12

Слайд 13

13

Слайд 14

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.

Слайд 15

Область теплового излучения в электромагнитном спектре
15

Слайд 16

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.

Слайд 17

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.

Слайд 18

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.

Слайд 19

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.

Слайд 20

В условиях термодинамического равновесия спектральная излучательная способность равна поглощательной способности при

той же длине волны и температуре:

Слайд 21

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.

Слайд 22

, [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:

Слайд 23

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.

Слайд 24

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»:

Слайд 25

Удостоверимся в справедливости 1-го следствия:
25

Слайд 26

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 »

Слайд 27

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.

Слайд 28

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»

Слайд 29

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.

Слайд 30

30

Слайд 31

31

Слайд 32

32

Слайд 33

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.

Слайд 34

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).

Слайд 35

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

Слайд 36

36
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.

Слайд 37

Спектр поглощения углекислого газа [1]
37

Слайд 38

Спектр поглощения водяного пара [1]
38

Слайд 39

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].

Слайд 40

Плотность результирующего потока энергии, передаваемой от поверхности плоскости «1» к поверхности

плоскости «2» равна
где εпр – приведенная излучательная способность рассматриваемой системы рассчитывается по формуле

Слайд 41

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.

Слайд 42

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.

Слайд 43

Для системы из N тел имеет место свойство замыкания:
43

Слайд 44

44

Слайд 45

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООБМЕНА ИЗЛУЧЕНИЕМ
45

Слайд 46

46
[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.

Слайд 47

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.

Слайд 48

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.

ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

Содержание

ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХТема № 4ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ (РАДИАЦИОННЫЙ ТЕПЛООБМЕН).СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Под термином ИЗЛУЧЕНИЕ в теории теплообмена понимают совокупность электромагнитных волн и

В зависимости от физического процесса взаимодействия излучения и вещества потоки излучения

ИСХОДЯЩИЙ (ИСХ.) – сумма собственного, отражённого и пропущенного потоков.ПАДАЮЩИЙ (ПАД.) –

СОБСТВЕННЫЙ (СОБ.) – излучённый телом во всех направлениях.ОТРАЖЁННЫЙ (ОТР.) – отражаемый

ПОГЛАЩЁННЫЙ (ПОГЛ.) – поток (энергии), перешедший из формы излучения в форму

ИСХОДЯЩИЙ = СОБСТВЕННЫЙ + ОТРАЖЁННЫЙПАДАЮЩИЙ = ПОГЛОЩЁННЫЙ + ОТРАЖЁННЫЙ + ПРОПУЩЕННЫЙОСЛАБЛЕННЫЙ

09

Интегральное излучение (Полный поток энергии излучения), Q [Вт] – энергия, излучаемая

11К определению телесного угла

12

13

Тепловое излучение ‒ электромагнитное излучение, энергия которого получена за счёт возбуждения

Область теплового излучения в электромагнитном спектре15

Процесс теплового излучения связан с последовательным превращением кинетической энергии частиц вещества

Поток теплового излучения ‒ количество энергии теплового излучения, переносимое за единицу

Термодинамическое равновесие – состояние системы, адиабатически изолированной от окружающей среды, при

Свойства равновесного излученияEпогл = Eизл 1. Если во всех точках поверхности плотность

В условиях термодинамического равновесия спектральная излучательная способность равна поглощательной способности при

Абсолютно чёрное тело (АЧТ)  условное тело (физическая абстракция), которое полностью

, [Вт/м3],  спектральный поток (спектральная излучательная способность) теплового излучения

Закон Кирхгофа В условия термодинамического равновесия отношение спектральной плотности испускаемого потока излучения

Излучательная способность тела, тело,  отношение спектральной плотности потока излучения тела

Удостоверимся в справедливости 1-го следствия: 25

2-е следствие закона Кирхгофа: «Так как у абсолютно чёрного тела а0,=1,

Закон Стефана-Больцмана Установлен экспериментально Стефаном в 1879 году и обоснован теоретически Больцманом

Определим: интенсивность объёмного излучения j [Вт/(м3·ср)]  мощность излучения в единице

Закон Ламберта, сформулированный для интенсивности имеет вид:I  интенсивность в направлении

30

31

32

32Распределение относительной излучательной способности различных тел в зависимости от направления: 1 

Радиационные характеристики реальных тел Относительная излучательная способность    отношение энергии излучения

A + R + D = 1A + R + D

36Поглощательная способность различных тел:  абсолютно чёрное тело;   

Спектр поглощения углекислого газа [1]37

Спектр поглощения водяного пара [1]38

Зависимостьε=f(t, pl)для водяного пара:t – температура газа (водяного пара), оС;p –