Коэффи­циент поглощения определяется как отношение поглощенного из лучения к падающему.

При расчете лучистого теплообмена между черными телами под излучение попадает только та часть тела, которая просматривается с излучающего тела. Далее, интенсивность излучаемой энергии максимальна вдоль нормали к поверхности и равна нулю в тангенциальном направлении. Можно учесть взаимное расположение излучателя и облучаемого тела введением коэффициента видимости, учитывающего долю излучаемой энергии, которая попадает на облучаемое тело.

Допустим, что лучистая энергия, излучаемая от черной поверхности 1 на черную поверхность 2, равна E1A1F12 (A1 — площадь излучателя, F12 — доля энергии, попадающая на поверхность 2). Очевидно, что

A1F12 = A2F21 (2.45)

Поэтому количество тепла Q12, переданное при лучистом тепло­обмене от тела 1 к телу 2, равно:

Q12 = A1F12(E1-E2) (2.46)

Воспользуемся законом Стефана — Больцмана и получим:

(2.47)

Наконец, если T2/T1 << 1 то выражение (2.47) сводится к виду:

(2.48)

Для неабсолютно черных тел расчет осложняется наличием доли многократно отраженного излучения. В случае двух беско­нечных параллельных пластин общее количество тепла, передан­ного с единицы поверхности, выражается формулой:

(2.49)

где Fε — коэффициент излучения, равный:

(2.50)

Коэффициент теплопередачи h определится из выражения, анало­гичного по форме уравнению Ньютона:

(2.51)

Реальные полимеры и их расплавы плохо пропускают инфра­красное излучение. Поэтому падающая на них энергия превра­щается в тепло непосредственно на их поверхности. Некоторое количество выделяющегося тепла сразу же теряется на потери в виде собственного излучения и путем конвекции.

Поглощаемое тепло распространяется внутрь за счет процес­сов теплопроводности. Поэтому итоговое распределение темпера­тур в теле, нагреваемом лучистой энергией, зависит не только от мощности потока лучистой энергии, но также и от теплопроводно­сти и конвективных потерь.

3. СОСТАВЛЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИССЛЕДУЕМОГО ПРОЦЕССА.

3.1. Специфика построения математических моделей описывающих термодинамические процессы

Разработанные методы анализа термодинамики процессов пере­работки полимеров позволяют устанавливать связь между основ­ными технологическими параметрами (давление, плотность, тем­пература) с достаточно высокой степенью точности. В настоящее время разработан весьма надежный математический аппарат, поз­воливший обобщить огромный экспериментальный материал.

Математические модели процессов теплопередачи базируются на математическом аппарате, разработанном в классических ис­следованиях теплопроводности в твердых телах. Общим недостат­ком известных решений является допущение о независимости теплофизических характеристик от температуры. Хорошо известно, что все термодинамические функции и теплофизические характерис­тики полимеров существенно зависят от температуры и давления. Поэтому при построении моделей реальных процессов следует об­ращать особое внимание на правильный выбор средних значений соответствующих характеристик.

3.2. Вывод дифференциального уравнения теплопроводности.

Для решения задач связанных с нахождением температурного поля необходимо иметь дифференциальное уравнение теплопроводности. Под дифференциальным уравнением понимают математическую зависимость между физи­ческими величинами характеризую­щими изучаемое явление, причем эти физические величины являются функциями пространства и времени. Такое уравнение характеризует протекание физического явления в любой точке тела в любой момент времени.

Дифференциальное уравнение теплопроводности дает зависимость между температурой, временем и координатами элементарного объе­ма.

Вывод дифференциального урав­нения сделаем упрощенным мето­дом. Предположим, что имеется од­номерное температурное поле (теп­ло распространяется в одном нап­равлении, например в направлении оси х ). Термические коэффициенты считаем не зависимыми от координат и времени.

Выделим в однородной и изотропной неограниченной пластине эле­ментарный параллелепипед, объем которого равен (рис. 3.1) Количество тепла, втекающего через левую грань в параллелепи­пед в единицу времени, равно а количество тепла, вытекающе­го через противоположную грань в единицу

времени, равно

Рис 1.3. Поток тепла через элементарный объём

Если , то элементарный параллелепипед будет нагреваться, тогда разница между этими потоками тепла по закону сохранения энергии равна теплу, аккумулированному данным элементарным парал­лелепипедом, т. е.

(3.1)

Величина есть неизвестная функция х. Если ее разложить в ряд Тейлора и ограничиться двумя первыми членами ряда, то можно написать:

(3.2)

Тогда из равенства (3.1) будем иметь:

(3.3)

Применяя уравнение теплопроводности , получим:

(3.4)

Уравнение (3.5) есть дифференциальное уравнение теплопроводности для одномерного потока тепла. Если тепло распространяется по нормали к изотермическим поверхностям, то вектор q можно разложить на три составляющие по координатным осям. Количество аккумулированного элементарным объемом тепла будет равно сумме

(3.5)

Тогда дифференциальное уравнение примет вид

(3.6)

Для симметричного одномерного температурного поля является функцией одной координаты. Поясним это на примере бесконечного круглого цилиндра. Если ось такого цилиндра совпадает с координа­той z, то температура в любой точке цилиндра будет зависеть только от координат х и у. При равномерном охлаждении или нагревании ци­линдра в любой точке, отстоящей на расстоянии r от оси цилиндра, температура в данный момент времени будет одна и та же. Следова­тельно, изотермические поверхности будут представлять собой цилин­дрические поверхности, коаксиально расположенные к поверхности ци­линдра. Между радиальной координатой r (радиус-вектор) и координатами х и у существует связь