39. Понятие о сложном теплообмене.

Сложным теплообменом называют процесс переноса теплоты, при котором теплообмен излучением протекает совместно с теплопроводностью и конвекцией. В сложном теплообмене излучение является важной составной частью. Сложный теплообмен можно разбить на три разновидности: теплообмен излучением между потоком излучающего газ и стенками канала, радиационно-кондуктивный теплообмен и радиационно-конвективный теплообмен.

При теплообмене излучением между потоком излучающего газа и стенками канала обычно пренебрегают теплопроводностью и считают, что теплота переносится только конвекцией в направлении движения потока.

Здесь учитывается неравномерное распределение температуры газа по сечению канала и его длине, возникающее из-за теплообмена. Оказывается, что теплота, переданная излучением, не растет монотонно с ростом степени черноты газового объема, а имеет максимальное значение при некотором ее значении. Уменьшение количест­ва передаваемой теплоты при большой поглощательной способности среды объясняется тем, что охладившиеся пристенные слои малопрозрачного газа выполняют роль экрана, не пропуская на стенку излучение от удаленных слоев излучающего газа.

При радиационно-кондуктивном теплообмене проис­ходит перенос теплоты в неподвижной ослабляющей и теплопроводящей среде путем излучения и теплопровод­ности. В случае нерассеивающей среды этот вид тепло­обмена характеризуется оптической толщиной слоя сре­ды kl, степенью черноты тепловоспринимающих поверх­ностей _сг1; _сг2, относительной температурой поверхно­сти, имеющей низкую температуру  = T₂/T₁, и парамет­ром N=1/Кi=k/4₀T₁³, характеризующим взаимную интенсивность переноса теплоты теплопроводностью и излучением. Если N  , то теплота переносится только теплопроводностью, N  0 — только излучением. Радиационно-кондуктивный: теплообмен является весьма сложным видом теплообмена. Сравнительно простые решения задачи получаются лишь для некоторых частных случаев.

При оптически тонком слое (kl = 0) излучение не по­глощается в среде, а переносится от одной поверхности к другой, как в случае диатермичной среды. Полный теп­ловой поток определяется простым суммированием лу­чистого и кондуктивного потоков

(16.33)

При оптически толстом слое (kl) влияние радиационных свойств поверхностей простирается в глубь объема, а характеристики излучения в любой точке объема зависят лишь от условий в непосредственной близости от этой точки. В этом случае полный тепловой поток складывается иначе, чем в уравнении (16.33), радиационный поток несколько видоизменен:

Радиационно-конвективный теплообмен весьма сложен в физическом отношении и описывается довольно сложной системой уравнений. Эти два обстоятельства затрудняют как аналитические, так и экспериментальные исследования сложного теплообмена, в связи с чем задача его инженерного расчета еще далека от своего решения. Для практических расчетов обычно используют принцип независимости конвективного и лучистого потоков, что оказывается достаточно верным, если один из них значительно меньше другого. Так, для учета теплоотдачи излучением к коэффициенту теплоотдачи конвекцией, подсчитанному обычным образом, т. е. без учета влияния радиационного теплообмена на профили скорости и температуры, рекомендуется прибавлять условный коэффициент теплоотдачи излучением _л, поэтому суммарный коэффициент теплоотдачи равен  = _к+_л.

Для сложных процессов теплообмена используют ряд чисел подобия, в частности числа Больцмана — Во и Кирпичева — Ki, имеющие вид:

;

Число Больцмана Во характеризует радиационно-конвективный теплообмен: чем оно меньше, тем большую роль играет лучистый теплообмен в среде по сравнению с конвективным. Число Кирпичева Ki характеризует радиационно-кондуктивный теплообмен. Число Бугера Вu=kl₀ характеризует оптическую плотность среды, т. е. прохождение через нее лучистой энергии.