1. Тепловіддача при конденсації.

5.2. Теплообмін при конденсації пари

Конденсація являє собою процес переходу пари (газу) в рідкий чи твердий стан (фазовий перехід першого роду).

Процес конденсації можливий тільки при докритичних станах пари (газу) і може бути здійснений шляхом його охолодження або в результаті такого стиснення, щоб при досягнутих значеннях температури і тиску конденсована фаза була термодинамічно більш стійкою, чим газоподібна. Якщо при цьому температура і тиск більше їх значень, відповідних третій точці для даної речовини, то утворюється рідка конденсована фаза, якщо менше – пар переходить у твердий стан.

Конденсація насиченої чи перегрітої пари на твердій поверхні тепловіддачі відбувається, якщо температура поверхні менша, ніж температура насичення при даному тиску.

При конденсації пари на незмоченій поверхні утворюються краплі конденсату, у той час як у випадку змочених поверхонь конденсат стікає у вигляді рідкої плівки. Розглянемо останній випадок, який має найбільше практичне значення. З утворенням плівки конденсату пар конденсується на її поверхні і тепло передається через цю плівку. Тому плівка конденсату, яка збільшується за рахунок конденсації пари, є основним термічним опором. Процес тепловіддачі у плівці суттєво залежить від гідродинаміки її руху, тому визначальним розміром в критеріальних рівняннях є висота для вертикальних поверхонь і діаметр для горизонтальних труб. Коефіцієнт  може бути знайдений за наступними критеріальними рівняннями:

а) для вертикальних поверхонь і труб

(141)

(142)

б) для конденсації на горизонтальних трубах

(143)

де критерій фазового переходу , тобто його можна розглядати як міру відношення теплового потоку, затраченого на фазове перетворення, до теплоти перегріву чи переохолодження фази при її насиченні, r - теплота конденсації, t_н - температура насиченої пари. Теплофізичні властивості (крім r) вибираються для конденсату за визначаючою температурою t_k, рівною: .

2. Основні закони теплового випромінювання

Закон Стефана - Больцмана

Кількість енергії, випроміненої тілом в одиницю часу у всьому інтервалі довжин хвиль (від =0, до =) віднесена до одиниці поверхні F_тіла, характеризує випромінювальну здатність тіла

(146)

де Q_л - енергія, випромінена тілом.

Випромінювальна здатність, віднесена до довжини хвилі від  до +d, тобто до інтервалу довжин хвиль , називається інтенсивністю випромінення і виражається співвідношенням

(147)

Проінтегрувавши останній вираз, можна встановити зв’язок між здатністю випромінювання і інтенсивністю випромінення:

(148)

Планком теоретично отримана наступна залежність загальної енергії теплового (температурного) випромінення від абсолютної температури і довжини хвилі

(149)

де Т - абсолютна температура, К.

Константи рівняння приймаються рівними:

Рівняння після перетворень (розкладання знаменника в ряд і послідуючого інтегрування) приводить до збігаючого ряду, вирахування суми членів якого дозволяє виразити повну енергію випромінення, або випромінювальну здатність абсолютно чорного тіла:

(150)

де Т - абсолютна температура поверхні тіла, К;

- константа випромінювання абсолютно чорного тіла; Е₀ [Вт/м²].

Це рівняння носить назву закону Стефана - Больцмана, який є, таким чином, наслідком рівняння (закону) Планка. Згідно закону Стефана - Больцмана, випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла пропорційна четвертому ступеню абсолютної температури його поверхні

(151)

де - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла.

Закон Стефана - Больцмана застосовується також для сірих тіл, для яких він набуває вигляду:

(152)

де - відносний коефіцієнт випромінювання, або ступінь чорноти сірого тіла,

С - коефіцієнт випромінювання сірого тіла.

Значення завжди менше одиниці і коливається від 0,055 (необролений алюміній при t=20C) до 0,95 (тверда резина при 20С).

Величини ступеню чорноти залежать від природи матеріалу, його забарвлення і температури, від стану його поверхні (полірована чи шорстка).

Закон Кірхгофа

Для сірих тіл необхідно знати залежність між їх випромінюваною і поглинальною здатністю.

Рисунок 25. Променевий теплообмін між поверхнями абсолютно чорного й сірого тіла.

Розглянемо паралельно розташовані сіре тіло 1 і абсолютно чорне тіло 2 і будемо вважати, що всі промені, що випускаються поверхнею одного тіла падають на поверхню іншого. Позначимо поглинальну здатність сірого тіла . Для абсолютно чорного тіла .Нехай температура сірого тіла вища, ніж температура абсолютно чорного тіла, тобто Т₁>T₂. Тоді кількість тепла ( на одиницю поверхні в одиницю часу), переданого сірим тілом шляхом випромінення, складає

(153)

При вирівнюванні температур обох тіл повинна наступити теплова рівновага, при якій відповідно

(154)

звідки

(155)

Узагальнюючи висновок для ряду взаємно паралельних тіл отримаємо

(156)

Ця залежність виражає закон Кірхгофа, згідно якому відношення випромінювальної здатності будь-якого тіла до його поглинальної здатності при одній і тій самій температурі є величиною постійною, рівною випромінювальній здатності абсолютно чорного тіла.

Тобто, можна сказати, що тіла, які добре відбивають енергію, самі випромінюють погано, а для абсолютно білого і абсолютно прозорого тіла випромінювальна здатність дорівнює нулю.