Передача тепла конвекцией

Сущность передачи тепла конвекцией между движущимися жидкостью или газом и твердым телом состоит в том, что к поверхности твердого тела непрерывно поступают частицы жидкости или газа, отдают тепло, а затем удаляются, уступая место другим

частицам. Различают конвекцию вынужденную (движение среды создается искусственно, например, в пламенных печах) и свободную (движение среды возникает в связи с ее нагревом и изменением плотности) (например, при охлаждении заготовок на воздухе). Движение газа или жидкости может быть ламинарным или турбулентным (рисунок 22).

Рисунок 22 - Эпюры скоростей при движении газов в каналах круглого сечения:

а) ламинарное; б) турбулентное

При ламинарном течении все частицы движутся параллельно стенкам канала (не смешиваясь механически и огибая все препятствия), а их скорость изменяется по параболическому закону, закону, принимая минимальные значения на поверхности канала. При турбулентном движении происходит перемешивание движущихся

частиц, образование вихрей и их скорость не подчиняется параболическому распределению.

Характер движущегося потока (его ламинарность или турбулентность) определяется численным значением критерия Рейнольдса Re=W*L/V, (3.13)

где W - скорость частиц, L - характерный размер канала, V -

кинематический коэффициент вязкости.

При ламинарном движении естественная конвекция в нормальном к стенке направлении незначительна и теплота пере- дается в основном теплопроводностью. При турбулентном движении перенос тепла осуществляется перпендикулярным к поверхности

канала перемещением частиц. Количество тепла, передаваемое конвекцией, определяется формулой

Qк = α

к (t1 - t2) Fτ, (3.14) где α к - коэффициент теплопередачи конвекцией, зависящий от вида теплоносителя, формы воспринимающего тела, турбулентности потока и пр.

Определяется α к экспериментально. Теплопередача конвекцией имеет решающую роль при температурах от 600 до 700 и скорости потока более 5 м/с, т.е. в термических печах. В кузнечных печах ее значение второстепенно.

Передача теплоты излучением

Передача теплоты излучением происходит путем превращения тепловой энергии в энергию электромагнитного излучения, которое распространяется в пространстве со скоростью света. Количество энергии излучения зависит от физических свойств и температуры излучающего тела. В зависимости от длины волны колебаний электромагнитные поля подразделяются на радиоволны (α> 400 мкм), тепловые инфракрасные лучи (α = 400 ...0,8 мкм), видимые световые лучи (α = 0,4...0,02 мкм), лучи Рентгена (α = 0,02...0,001 мкм), гамма лучи и космическое излучение (α = 0,01...0,00001 мкм). В зависимости от длины волны лучи обладают различными свойствами. Из всех лучей интерес для теплопередачи представляют тепловые лучи с α = 0,8...40 мкм.

Количество теплоты, излучаемого поверхностью S в единицу времени, называется лучистым тепловым потоком Qл (Вт). Величина лучистого теплового потока, отнесенная к единице поверхности, называется плотностью лучистого потока Е, или лучеиспускательной способностью: Е = Q/S (Вт) (3.15)

Если на тело падает лучистый поток Qл, то часть его QА поглощается телом, часть QR – отражается и часть QD – пропускается

(рисунок 23)

Рисунок 23 - Схема распределения лучистого потока при

взаимодействии его с твердым телом

Поглощенные лучи вновь превращаются в тепловую энергию. Такое превращение энергии происходит в системах и в том случае, когда тела имеют разную температуру, и когда температура одинакова. В последнем случае количество излучаемой и поглощаемой

энергии одинаково, т.е. система находится в тепловом равновесии. В соответствии с законами сохранения энергии имеем:

QЛ = QА + QR + QD (3.16)

или QА/QЛ + QR/QЛ + QD/QЛ = 1 или А + R + Д = 1,

где А = QА/QЛ - коэффициент поглощения или поглощательная

способность;

R = QR/QЛ - коэффициент отражения или отражательная спо-

собность;

Д = QД/QЛ - коэффициент пропускания или пропускательная

способность.