1.2. Передача тепла конвекцией

Передача тепла конвекцией осуществляется в результате перемещения частиц газообразного или жидкого вещества. При этом взамен частиц веще­ства, забравших энергию у теп­лонагру­женного элемента, поступают более холодные [4].

В зависимости от того, чем вызвано движение жидкости или газа, кон­векция подразделяется на свободную и принуди­тельную. В свободной кон­векции движение вызвано разно­стью плотностей отдельных потоков, кото­рые возникают под дейст­вием разности температур. Принудительная конвек­ция происхо­дит под действием механических устройств путем обдува газом или обтекания жидкостью.

Конвективный тепловой поток от поверхности к среде прямо пропорцио­нален ее площади и разности температур между поверхностью и средой .

Уравнения принудительной конвекции включают в себя безразмерные величины, характеризующие передачу тепла, движение газообразной или жидкой среды и ее теплофизиче­ские свойства:

- критерий Нуссельта (безразмерный коэффициент теп­лоот­дачи):

где - диаметр и линейный размер поверхности соот­ветст­венно;

- критерий Рейнольдса (критерий режима течения):

где - плотность,

- скорость,

- коэффициент динами­ческой вязкости,

- массовая скорость потока,

- коэффициент кинема­тической вязкости;

- критерий Прандтля (критерий подобия температурных и скоростных полей):

где - удельная теплоемкость при постоянном давле­нии;

- критерий Стэнтона ( ):

и другие.

1.3. Передача тепла излучением

Все тела, температура которых отличается от темпера­туры абсолютного нуля, выделяют энергию в виде электро­магнитных волн. Этот процесс называют излучением, лучеис­пусканием или радиацией. Все тела обладают также способ­ностью поглощать энергию. Поэтому все процессы теплооб­мена в большей или меньшей степени сопровождаются лучи­стым теплообменом [5].

Излучение нагретых тел охватывает длины волн порядка 0,3 - 100 мкм. Поскольку глаз человека чувствителен в ос­нов­ном к лучам в интервале длин волн 0,4-0,7 мкм, то видно, что большая часть теплового излучения лежит за пре­делами види­мой части спектра. Это так называемый инфра­красный диапа­зон электромагнитных волн.

Основные законы излучения выведены для абсолютно чер­ного тела. Хотя таких тел в природе нет, это понятие очень уп­рощает описание процессов лучистого теплообмена. На прак­тике существуют поверхности, которые отражают очень малую часть падающего излучения. Даже снег в инфракрас­ном диапа­зоне поглощает до 0,985 падающего на него тепло­вого излуче­ния.

В природе нет поверхностей, которые излучают тепла боль­ше, чем абсолютно черное тело при данной температуре. Этот закон сформулирован Кирхгофом. Отношение излуча­тель­ной способности любого тела к излучательной способно­сти аб­солютно черного тела с той же температурой называ­ется отно­сительной излучательной спо­собностью, или степе­нью черноты тела ε (ε всегда меньше 1). Величина ε характе­ризует также по­глощательную способность тела, т .е. ε = А.

Элемент поверхности абсолютно черного тела испус­кает лучи во всех направлениях. Количество тепла, излучае­мого еди­ницей поверхности в единицу времени, называется излуча­тель­ной, или лучеиспускательной, способностью Е. Иногда ее назы­вают также плотностью полусферического из­лучения.

Тепловое излучение тела всегда содержит лучи с разной длиной волны. Для того чтобы иметь возможность изучать рас­пределение энергии излучения по длинам волн, вводят по­нятие спектральной интенсивности излучения, которая опре­деляется как излучательная способность тела для интервала длин волн dλ:

(1.4)

Исследуя распределение теплового излучения по длинам волн, Макс Планк пришел к своей знаменитой квантовой тео­рии (1900).

Закон Планка для спектральной интенсивности тепло­вого излучения абсолютно черного тела имеет вид

(1.5)

где индекс «0» присвоен абсолютно черному телу;

- первая постоян­ная Планка;

- вторая постоян­ная Планка;

- универсальная постоянная Планка;

- скорость света в вакууме;

- постоянная Больцмана;

λ - длина волны;

Т - абсолютная температура.

Этот закон хорошо подтверждается экспериментально и дает наиболее общую характеристику излучения.

В зависимости от внешних условий каждый из описан­ных способов отвода тепла может быть более или менее эф­фектив­ным. Ниже представлены методики расчета тепловых режимов в случае использования конвективного и кондуктив­ного способов отвода тепла.