4.2. Конвекция

Процесс переноса тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости называется конвекцией. Конвективный теп­лообмен происходит одновременно с теплопроводно­стью.

При передаче тепла конвекцией у поверхности стенки, вдоль которой движется теплоноситель и че­рез которую проходит тепло, образуется пограничный ламинарный слой. Теплопроводность жидкостей и га­зов невелика, поэтому переход тепла через погранич­ную пленку затруднен. Чтобы ускорить теплопередачу, стремятся уменьшать толщину пленки, т. е. применяют движущиеся теплоносители. Повышение турбулентнос­ти потока теплоносителя приводит к уменьшению толщины ламинарного слоя и увеличению количества передаваемого тепла.

Основным законом теплоотдачи является закон Ньютона. Количество тепла Q, переданное от тепло-обменной поверхности к окружающей среде (жид­кость, газ) или от окружающей среды к теплообмен-ной поверхности, прямо пропорционально поверхности теплообмена F, разности температур поверхности и окружающей среды (Q₄ac_T. = t_x — /_ст) и времени т, в течение которого осуществляется теплообмен:

Q6

(t_t-t2)Fx ■

Коэффициент теплопроводности (или просто тепло­проводность) представляет собой количество тепла, проходящее в единицу времени через единицу площа­ди поверхности при разности температур 1 °С на еди­ницу толщины стенки. Коэффициент теплопроводности зависит от свойств материала стенки и ее температу­ры. С повышением температуры теплопроводность большинства металлов и газов возрастает.

Числовые значения коэффициентов теплопровод­ности приводятся в специальных таблицах. Коэффи­циенты теплопроводности некоторых материалов, ис­пользуемых в теплообменных аппаратах: сталь не­ржавеющая— 17, алюминий — 200, медь — 350, сереб­ро — 420.

46

• т,

¹ = a-FA

где F — площадь поверхности теплообмена, м²; 0_част — разность температур между основной массой тепло­носителя и поверхностью стенки, °С; т — время, с; а —

Дж

коэффициент теплоотдачи,

м'-с-

Коэффициент теплоот.дачи показывает, какое коли­чество тепла передается от теплообменной поверх­ности с площадью 1 м² в окружающую среду или, наоборот, от окружающей среды к теплообменной поверхности с площадью 1 м² в единицу времени при разности их температур в 1 град.

Величина коэффициента теплоотдачи зависит от характера движения теплоносителя (ламинарный, тур-

47

булентный), его скорости, физических свойств (вяз­кость, плотность, теплопроводность), размера и формы поверхности теплообмена.

4.3. Лучеиспускание

Лучеиспускание свойственно всем телам, имеющим температуру выше нуля (по шкале Кельвина). В ре­зультате обмена тела с меньшей температурой при­обретают дополнительное тепло за счет энергии тел с большей температурой, т. е. лучистая энергия пере­ходит в тепловую. Лучистая энергия представляет собой энергию электромагнитных колебаний с различ­ными длинами волн (тепловому излучению соответст­вуют длины волн от 0,4 до 40 мкм). Тела, поглощаю­щие всю падающую на них лучистую энергию, назы­ваются абсолютно черными, полностью отражающие — абсолютно белыми, пропускающие всю падающую на них энергию — абсолютно прозрачными. Поглощение и отражение лучистой энергии твердыми телами в зна­чительной мере зависит от состояния их поверхности. Шероховатые поверхности обладают высокой погло-щательной, гладкие — отражательной способностью. Большинство газов (паров) обладают значительной способностью испускать и поглощать лучистую энер­гию не поверхностным слоем, а объемом, поэтому излучение их зависит от толщины газового слоя.

Согласно закону Стефана — Больцмана, количест­во тепла Q абсолютно черного тела, излучаемого в единицу времени, пропорционально поверхности из­лучающего тела F и четвертой степени его абсолют­ной температуры Т:

юо ) '

Q = C ■ F

где С — коэффициент лучеиспускания, для абсолютно черного тела он равен 5,68 Дж/м² (с-К⁴)-

Для других тел коэффициент лучеиспускания на­ходят через коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела (C_s):

С = е • C_s,

где величина е, называемая степенью черноты тела, представляет собой отношение коэффициента лучеис-

48

пускания данного тела к коэффициенту абсолютно чер­ного.

Лучеиспускательная способность тела тем выше, чем больше его поглощающая способность. Этим объ­ясняется наивысшая лучеиспускательная способность абсолютно черного тела, а для абсолютно белого и абсолютно прозрачного тел лучеиспускательная спо­собность равна нулю.