4.2.4 Лучистый теплообмен

В теплотехнических расчётах хладотранспорта лучистый теплообмен учитывается лишь при анализе теплопритоков через наружные ограждения вагонов. При попадании тепловых лучей на какое-либо тело энергия электромагнитных колебаний им поглощается, снова превращаясь во внутреннюю энергию с соответствующим возрастанием температуры. Процесс распространения света характеризуется длиной волны  и частотой колебаний f:

,

где c – скорость света.

Суммарный удельный тепловой поток на всех длинах волн I, Вт/м², определяется природой излучающего тела и его температурой. Он носит название собственного излучения.

Энергия падающего излучения частично поглощается, отражается или проникает сквозь тело. Относительные доли полного потока энергии носят название коэффициентов поглощения A, отражения R и пропускания D. Справедливо соотношение

A + R + D = 1.

Предельно возможные случаи таковы:

– абсолютно чёрное тело, A = 1;

– абсолютно белое тело, R = 1;

– абсолютно прозрачное тело, D = 1.

Совокупный процесс испускания, поглощения, отражения и пропускания энергии электромагнитных волн называется лучистым теплообменом. Его описание базируется на законе Стефана-Больцмана

I_o = _oT⁴,

где I_o – плотность интегрального излучения абсолютно чёрного тела, Вт/м²; _o – постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м²К⁴); T– абсолютная температура, К.

Реальные (серые) тела излучают меньше:

I = I_o,

где  – степень черноты,  = A < 1.

В системе двух тел плотность теплового потока взаимного (эффективного) облучения определяется зависимостью

,

где _1,2 – коэффициент облучённости (доля излучения первого тела, воспринимаемая вторым телом); _пр – приведённая степень черноты системы (формула (4.14)); с_o– коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, с_o = _o = 5,67 Вт/(м²К⁴).

_пр = f (₁ ,₂ F₁,F₂) (4.14)

где F₁, F₂ –  поверхности излучения тел первого и второго, м².

Нагрев солнцем приводит к повышению температуры поверхности вагона на величину

.

Здесь степень черноты вагона, ~0,7, а коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности вагона к воздуху _н = 2.5. Дополнительный нагрев облучённой поверхности неподвижного вагона может достигать от 30 до 40 °С.

4.2.5 Теплопередача

Разделение теплопереноса на теплопроводность, конвекцию и излучение удобно для изучения каждого из этих процессов. В действительности же теплота передаётся двумя или даже тремя способами одновременно. В большинстве теплотехнических расчётов встречается ситуация передачи теплоты от одной жидкой (газообразной) среды к другой через разделяющую их стенку (рисунок 4.8), причём лучистый теплообмен учитывают только в коэффициенте теплоотдачи ₁

Рисунок 4.8 – Температурное поле при передаче теплоты из одной среды (1) в другую (2):

t₁ и t₂ – температуры первой и второй сред, разделённых плоской стенкой; t_с1 и t_с2 – температуры на поверхностях стенки 1 и 2;   – толщина стенки; q  – удельный тепловой поток через стенку

Поскольку у всех составляющих стационарного режима теплопереноса есть общая величина теплового потока Q, то для разности температур t₁ и t₂ можно записать очевидное соотношение

.

Записывая это выражение относительно удельной плотности теплового потока, получим

q = k(t₁ – t₂),

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К).

Для случая плоской стенки F₁ = F₂ и тогда

. (4.15)

В знаменателе представлены все термические сопротивления на пути теплового потока. Величина k характеризует интенсивность процесса теплопередачи. Управление этим процессом осуществляют воздействием на все составляющие выражения (4.15).

Для интенсификации теплопередачи применяют оребрение (увеличение F), искусственную шероховатость поверхностей нагрева и усиление конвекции (увеличивают ); используют более теплопроводные материалы (снижают тепловое сопротивление R_с) и т. д.

Для ослабления теплопритока усиливают тепловую изоляцию разделяющей стенки, влияя на её термическое сопротивление /, в том числе путём введения многослойной стенки.