1.5. Конвективный теплообмен
Конвективным теплообменом называют перенос теплоты массой жидкости (газа) нагретой или охлажденной у твердой поверхности. Направление теплового потока при этом будет зависеть от температур жидкости и стенки.
Различают естественную и вынужденную конвекцию. Естественная конвекция возникает в результате неоднородности теплового поля под действием внешних сил в частности гравитационных сил.
Вынужденная конвекция возникает в результате приложения к массе жидкости внешних сил (использование увеличении интенсивности движения насосов, вентиляторов и т.п.).
Снимки конвекции
Рис.4
Тепловой поток при конвективном теплообмене, определяется по формуле:
, (1.18)
где - коэффициент теплоотдачи;
tж – температура теплоносителя в ;
- температура стенки в ;
F – поверхность соприкосновения теплоносителя со стенкой в м2.
- температура стенки
Из данного уравнения можно определить разность и температуру стенки :
- (1.19)
Формула справедлива как при конвективном теплообмене от жидкости к стенке, так и при конвективном теплообмене от стенки к жидкости.
Коэффициент теплоотдачи представляет собой величину теплового потока. В отличие от коэффициента теплопроводности коэффициент теплоотдачи - сложная величина. Он учитывает следующие факторы: режим течения жидкости (ламинарный или турбулентный); физические параметры жидкости (теплопроводность , вязкость , плотность , теплоемкость ср., коэффициент объемного расширения ), температуру жидкости и поверхности , ; форму Ф и линейные размеры обтекаемой поверхности l.
Функционально такую зависимость можно выразить в виде:
(1.20)
Существенное значение при конвективном теплообмене имеет режим движения жидкости. При турбулентном движении теплообмен идет более интенсивно. При ламинарном движении менее интенсивно. Наличие пограничного слоя большой толщины у поверхности стенки увеличивает ее термическое сопротивление.
1.6 Теплообмен излучением
Теплообмен излучением представляет собой процесс взаимного облучения двух или нескольких тел виде электромагнитных волн. Этот вид теплообмена связан с взаимным превращением энергии: тепловой энергии в излучение и излучения в тепловую энергию. Интенсивность лучистого теплообмена увеличивается по мере повышения температуры тела, испускающего электромагнитные волны.
Лучистая энергия, попадая на какое-нибудь тело, частично поглощается этим телом, частично отражается и частично проходит через него. Энергия, поглощаемая телом, переходит в тепловую энергию.
Рис.5.
Обозначая через Q0 общее количество излучаемой энергии, поступающей на тело, а через , и – соответственно количество лучистой энергии, поглощенной, отраженной и прошедшей через него:
. (1.21)
Записав уравнение (1.21) в относительном виде, получим
(1.22)
или
,
где - поглощательная способность тела;
- отражательная способность тела;
- пропускная способность тела.
Коэффициенты и являются безразмерными коэффициентами поглощения, отражения и пропускания. В зависимости от конкретных физических свойств тела, его температуры и длины волны падающего излучения численные значения коэффициентов и могут быть различными и равными нулю.
Если =1 ( ), то тело полностью поглощает все падающие на него тепловые лучи и называется абсолютно черным.
Если ( ), то тело полностью отражает падающие на него тепловые лучи. Такое тело называют зеркальным (если отражение правильное, не рассеянное) либо абсолютно-белым (если отражение рассеянное – диффузное).
Если, ( ), то тело пропускает через себя все падающие на него лучи. Такое тело называют абсолютно-проницаемым (прозрачным) или диатермичным. Воздух – практически прозрачная среда, твердые тела и жидкости непрозрачны. Многие тела прозрачны только для определенных волн. Так, оконное стекло пропускает световые лучи и почти непрозрачно для ультрафиолетового и длинноволнового инфракрасного излучения.
Основные законы лучистого теплообмена были открыты И. Стефаном и Л.Больцманом
Закон Стефана-Больцмана. И. Стефан экспериментально, а Л.Больцман теоретически установили связь излучения абсолютно черного тела Е0 с температурой. В технических расчетах закон Стефана-Больцмана используется в следующем виде:
, (1.23)
где С0 – коэффициент излучения абсолютно черного тела,
Существующие в природе тела, являются серыми, по интенсивности излучения отличаются от абсолютно черного тела. Однако закон Стефана-Больцмана применим и к серым телам, если ввести коэффициент степени черноты и учесть тем самым их степень черноты:
, (1.24)
где а - коэффициент степени черноты
Е – способность излучения серого тела;
Е0 – излучения способность абсолютно черного тела.
Применительно к реальным телам закон Стефана-Больцмана имеет следующий вид:
, (1.25)
где С=аС0 – коэффициент излучения.
Величина степени черноты зависит от природы тела, температуры и состояния его поверхности.
По закону Ламберта устанавливается взаимосвязь между излучаемой телом энергии от ориентации. Максимальное излучение единицей поверхности происходит по направлению нормали.
. (1.26)
Таким образом, закон Ламберта определяет зависимость излучаемой телом энергии от направления.
По закону Кирхгофа отношение способности излучения Е к его способности поглощения для всех тел одинаково и равно способности излучения абсолютно черного тела Е0 при той же температуре и зависит только от температуры, т.е.
(1.27)
Так как , то для всех серых тел , т.е. поглощательная способность тела численно равна его степени черноты.
Интенсивность лучистого теплообмена между твердыми телами зависит от их температуры, конфигурации, размеров, состояния поверхностей, взаимного расположения и расстояния между ними.
Эффективным средством уменьшения интенсивности теплообмена служат различного рода защитные экраны.
При наличии экрана лучистое тепло передается от стенки к экрану, а от экрана к другой стенке.
Если материал экрана и стенки сходны по качеству и материалу, то экран уменьшит лучистый тепловой поток в 2 раза.
Если поверхность экрана имеет очень небольшой коэффициент поглощения и хорошо отражает лучистую энергию, никелированный или полированный алюминиевый лист, то один экран может уменьшить тепловой поток в 10-30 раз.