10 Теплообмен
Теория теплообмена изучает процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Перенос теплоты может передаваться тремя способами:
Теплопроводностью ( происходит при непосредственном контакте тел или частицами тел с различными температурами)
Конвекцией ( перенос теплоты при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкости или газа).
излучением (радиацией) (Процесс передачи теплоты внутренней энергии тела в виде электромагнитных волн)
11.Теплопроводность через плоские стенки
Определим плотность теплового потока, передаваемое теплопроводностью через простую плоскую стенку
Отношение (лямбда на дельту)- тепловая проводимость стенки,
где дельта – толщина стенки (м)
лямбда – коэффициент теплопроводности (Вт/м*град)
Обратная
тепловой проводимости величина
-
термическое (тепловое) сопротивление
теплопроводности (м2град/Вт).
12. Конвективный теплообмен
-процесс переноса тепла между движущейся жидкостью и поверхностью твёрдого тела.
«Жидкость» - капельные и газообразные тела.
Факторы: скорость потока и физические свойства среды.
Различают свободное (естественная конвекция) и вынужденное движение.
Общее количество теплоты, передаваемое при теплоотдаче от среды к поверхности тела:
Q=αF/(tc-tn)τ
α-коэфф. теплоотдачи (Вт/м2град)
F – площадь тепловоспринимающей поверхности
tc и tn - температура среды и поверхности
τ - время
Коэффициент теплоотдачи - количество теплоты, отдаваемое единицей поверхности (или воспринимаемой ею) в единицу времени при разность температур междуповерхностью тела и средой в 1 градус.
Уравнение Ньютона – Рихмана
dQ= α(tc-tж)dF
Критерий Нуссельта:
Nu=
=idem
Характеризует интенсивность теплообмена между твердым телом и средой (безразмерная величина).
idem (то же самое) – применяется, чтобы подчеркнуть, что безразмерные комплексы для подобных явлений имеют одинаковые значения.
α-коэффициент конвективной теплоотдачи (Вт/м2град)
λ – коэффициент теплопроводности среды (Вт/м град)
l – определяющий размер (м)
Гидродинамическое условие движения потока характеризуется числом Рейнольдса:
Re
=
- коэффициент
кинематической вязкости (м2/с)
w- скорость потока (м/с)
l – определяющий размер (м)
Физические свойства среды определяет число Прандталя:
Pr
=
; α =
- коэффициент кинематической вязкости (м2/с)
α – коэффициент теплоотдачи (Вт/м2град)
- коэффициент
теплопроводности (Вт/м*град)
– плотность (кг/м2)
Кинематическое подобие при свободном движении жидкости устанавливается числом Грасгофа:
Gr = β
Δt
β - коэффициент объемного расширения газа (для газа β = 1/Т )
g – ускорение свободного падения
Δt – разность температур между поверхностью тела и средой
В общем случае критериальные уравнения теплообмена имеют вид:
Nu=f(Re, Pr, Gr)
13. Теплообмен излучением
Тепловое излучение – излучение определяемое только температурой и оптическими свойствами излучающего тела.
Собственное излучение – излучение, испускаемое телом и зависящее от температуры и оптических свойств данного тела.
Падающее излучение – это излучение других тел, падающее извне на его поверхность.
Поток излучения –количество энергии Q , переносимое через произвольную поверхность F.
Если на тело извне не падает излучение других тел, то с единицы его поверхности отводится поток собственного излучения, называемый лучеиспускательной способностью тела Ес.
Если из общего количества энергии Q0, падающей на тело, часть ее QА поглощается, QR отражается, и QP проходит сквозь тело, то балланс энергии запишется следующим образом:
QА+ QR+ QP= Q0
При делении равенства на Q0 получим
QА /Q0 + QR /Q0 + QP /Q0 =1
где QА /Q0=А – поглащательная способность тела
QR /Q0 =R – отражательная способность тела
QP /Q0 = Р - пропускательная способность тела
Закон Планка:
Е1/А1=Е2/А2=Е0=f(T)
E=dQ/dF
Е0 – излучательная способность абсолютно черного тела.
Отношение излучательной способности к поглашательной для любого тела одинаково и равно излучательной способности абсолютно черного тела при той же температуре
ε=Е/Е0; Е/Е0=А, тогда ε=А
Закон Планка
Iλ
= dE/d
Iλ – спектральная интенсивность излучения
d – интервал длинн волн
Произведение длины волны, которой излучается максимум энергии на сооответсвующую температуру есть величина постоянная.
Закон Стефана –Больцмана для абсолютно черного тела
Е0=С0(
)4
Полная энергия излучения абсолютно черного тела прямопорпорциональна его абсолютной температуре в 4ой степени.
С0 - коэфф. лучеиспускания абсолютно черного тела.
С0 = 5,7 Вт/м2К4
Для серого тела
Е0=εС0( )4 ε – степень черноты
Закон Ламберта
Еφ=ЕnCosφ
Распределение энергии по различным направлениям
Еn- излучение в напревлении нормальном к поверхности
Еφ – излучение, составляющее с поверхностью угол φ
