3.6. Теплоотдача при свободном движении теплоносителя

Свободное движение или конвективный теплообмен в свободном потоке возникает в связи с изменением плотности жидкости от нагревания. Свободная конвекция имеет место у нагретых стен печей, трубопроводов, у батарей центрального отопления, в холодильниках при охлаждении продуктов и т.д. Этот вид теплообмена играет большую роль как в промышленности, так и в быту. Свободный теплообмен возникает в неравномерно нагретом газе или жидкости, находящихся как в ограниченном, так и в неограниченном пространстве. Если тело имеет более высокую температуру, чем окружающая среда, то слои жидкости, нагреваясь от тела, становятся легче и под действием возникающей подъемной силы поднимаются вверх, а на их место поступают из окружающего пространства более холодные слои. Поэтому и возникает свободная конвекция.

Рассмотрим вертикальную стенку, которую обогревает тепловой поток q (рис. 3.7.).

Рис. 3.7. Схематическое изображение свободного движения газа.

В зоне 1 – устойчивое ламинарное движение, по высоте толщина пограничного слоя увеличивается, вследствие чего коэффициент теплоотдачи падает.

В зоне 2 – неустойчивое ламинарное движение жидкости с частичным разрушением пограничного слоя, коэффициент теплоотдачи возрастает.

В зоне 3 – турбулентное движение жидкости, толщина пограничного слоя не зависит от высоты.

У нижней части стенки в поднимающемся с небольшой скоростью воздухе (жидкости) наблюдается ламинарное движение с постепенно увеличивающейся толщиной ламинарного пограничного слоя. На некотором расстоянии от нижнего конца стенки по ее высоте ламинарный пограничный слой начинает разрушаться, возникает локонообразное движение жидкости (переходный режим), которое постепенно усиливается и переходит в развитое турбулентное движение с ламинарным подслое в непосредственной близости к поверхности трубы. В соответствии с изменением толщины пограничного слоя и характера движения жидкости у поверхности изменятся и коэффициент теплоотдачи. По мере увеличения ламинарного пограничного слоя, считая от нижнего конца стенки, коэффициент теплоотдачи уменьшается. Минимального значения коэффициент теплоотдачи достигает там, где толщина ламинарного пограничного слоя будет максимальна. В области переходного движения коэффициент теплоотдачи постепенно возрастает и принимает наибольшее постоянное значение в области развитого турбулентного движения жидкости.

Критериальное уравнение, описывающее процесс теплоотдачи имеет вид:

, (3.25)

где С, n и m – поправочные коэффициенты, установленные опытным путем и зависящие от формы тела, характера движения, температуры и ряда других факторов.

Определяющим размером является высота трубы.

4. Лучистый теплообмен

4.1. Основные определения

Носителями лучистой энергии являются электро-магнитные колебания с длиной волны от малых долей микрона до многих километров. В зависимости от диапазона длин волн такие излучения известны под названиями: рентгеновские, ультрафиолетовые, световые, инфракрасные лучи, радиоволны.

Для нас наибольший интерес представляют те лучи, возникновение которых определяется только температурой и оптическими свойствами излучающего тела. Такими свойствами обладают световые и инфракрасные лучи, т.е. лучи с длиной волны от 0,5 до 800 мкм. Эти лучи называют тепловыми, а процесс их распространения – тепловым излучением.

Тепловое излучение есть результат превращения внутренней энергии тел в энергию электромагнитных колебаний.

Тепловое излучение как процесс распространения электромагнитных волн характеризуется длиной волны l и частотой колебаний n=с/l, где с – скорость света (в вакууме с = 3×108 м/с).

Тепловое излучение свойственно всем телам, и каждое из них излучает энергию в окружающее пространство. При попадании на другие тела эта энергия частью поглощается, частью отражается и частью проходит сквозь тело. Та часть лучистой энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую. Та часть энергии, которая отражается, попадает на другие тела и ими поглощается. То же самое происходит и с той частью энергии, которая проходит сквозь тело. Таким образом, после ряда поглощений энергия излучения полностью распределяется между окружающими телами. Следовательно, каждое тело не только непрерывно излучает, но и непрерывно поглощает лучистую энергию.

Виды лучистых потоков. Суммарное излучение, проходящее через произвольную поверхность F в единицу времени, называется потоком излучения Q, Вт. Лучистый поток, испускаемый с единицы поверхности по всем направлениям полусферического пространства, называется плотностью потока излучения Е, Вт/м2:

.

Пусть из всего количества энергии Qо, падающей на тело, часть QА поглощается, часть QR отражается и часть QD проходит сквозь тело (рис. 4.1.), так что

.

Рис. 4.1. – Схема распределения падающей лучистой энергии.

Деля обе части этого равенства на Qо, получаем:

Это уравнение теплового баланса можно записать в безразмерной форме:

A+R+D=1.

Величина А называется коэффициентом поглощения, R – коэффициентом отражения, D – коэффициентом пропускания. Все эти величины имеют нулевую размерность и изменяются лишь в пределах от 0 до 1.

Тело, поглощающее все падающее на него излучение, называется абсолютно черным. Для этого тела А = 1. Тела для которых А < 1 и не зависит от длины волны падающего излучения, называются серыми. Для абсолютно белого тела R = 1, для абсолютно прозрачного D = 1.

Абсолютно черных, белых и прозрачных в природе нет; в применении к реальным телам эти понятия условны. Значения А, R и D зависят от природы тела, его температуры и спектра падающего излучения. Например, воздух для тепловых лучей прозрачен, но при наличии в нем водяных паров или углекислоты он становится полупрозрачным.

То же относится и понятиям поглощения и отражения. Белая по цвету поверхность хорошо отражает лишь световые лучи. В жизни это свойство широко используется: белые летние костюмы, белая окраска цистерн и т.д. Невидимые же тепловые лучи белая ткань, и краска поглощают так же хорошо, как и темные. Для поглощения и отражения тепловых лучей большее значение имеет не цвет, а состояние поверхности. Независимо от цвета отражательная способность гладких и полированных поверхностей во много раз выше, чем шероховатых. Для увеличения поглощательной способности тел их поверхность покрывается темной шероховатой краской. Для этой цели обычно применяется нефтяная сажа, но и она поглощает всего 90-96 % падающей лучистой энергии, это не абсолютно черное тело. В дальнейшем все величины, относящиеся к абсолютно черному телу, будем отмечать индексом 0.

Если на тело извне не падает никаких лучей, то с единице поверхности тела отводится лучистый поток энергии Е1, Вт/м2. Он определяется температурой и физическими свойствами тела. Это собственное излучение тела. Однако обычно со стороны других тел на рассматриваемое тело падает лучистая энергия в количестве Е2, это падающее излучение. Часть падающего излучения в количестве А1Е2 поглощается телом – поглощенное излучение; остальное в количестве (1 – А1)Е2 отражается – отраженное излучение (рис. 4.2.)

Рис. 4.2. – К определению видов теплового излучения.

Собственное излучение тела в сумме с отраженным называется эффективным излучением тела, это фактическое излучение тела, которое мы ощущаем или измеряем приборами:

Еэф=Е1+(1 – А1)Е2. (4.1)

Эффективное излучение зависит от физических свойств и температуры тела, а также от формы, размеров и относительного расположения тел в пространстве.

Результирующее излучение Ерез представляет собой разность между собственным излучением тела и той частью падающего внешнего излучения Е2, которая поглощается данным телом:

Ерез = Е1 – А1Е2. (4.2)

Суммарный процесс взаимного испускания, поглощения, отражения и пропускания энергии излучения в системах тел называется лучистым теплообменом.

Поверхностная плотность потока интегрального излучения абсолютно черного тела в зависимости от его температуры описывается законом Стефана-Больцмана:

Е0=s0Т4. (4.3)

Здесь s0=5,67×10-8 Вт/(м2×К4) – постоянная Стефана-Больцмана. Для технических расчетов закон Стефана-Больцмана обычно записывают в виде:

Е0=С0(Т/100)4. (4.4)

Где С0=s0×108=5,67 Вт/(м2×К4) называется коэффициентом излучения абсолютно черного тела.

Тела, с которыми мы имеем дело на практике, излучают меньше тепловой энергии, чем абсолютно черное тело при той же температуре.

Отношение поверхностной плотности потока собственного интегрального излучения Е данного тела к поверхностной плотности потока интегрального излучения Е0 абсолютно черного тела при той же температуре называется степенью черноты этого тела:

e=Е/Е0.

Степень черноты e меняется для различных тел от нуля до единицы в зависимости от материала, состояния поверхности и температуры. Используя понятие степени черноты, можно записать закон Стефана-Больцмана для реального тела:

Е=e×Е0=e×С0(Т/100)4=С(Т/100)4. (4.5)

Здесь С=e×С0 – коэффициент излучения реального тела, Вт/(м2×К4).