Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы теплофизики. Учебное пособие
.pdf
2. На какие области может быть разбит поток текучей среды,
омывающий твёрдое тело?
3. Как влияет на величину коэффициента теплоотдачи
степень турбулизации потока текучей среды?
4. В чём различие между определяемыми и определяющими
критериями подобия?
5. Почему конвекция всегда сопровождается
теплопроводностью?
6. Какая температура может быть выбрана в качестве
определяющей при выборе физических параметров в критериях
подобия?
7. От каких параметров зависит коэффициент теплоотдачи?
Тесты к разделу 2.2.
1. В критериальном уравнении свободно-конвективного
теплообмена определяемым является критерий:
а) Nu; б) Re; в) Gr; г) Pr.
2. С помощью теории подобия определяют:
а) коэффициент теплопроводности; б) универсальную газовую
постоянную; в) коэффициент теплоотдачи.
3. При увеличении скорости потока коэффициент
теплоотдачи:
а) увеличивается; б) уменьшается; в) остаётся без изменения.
4. Коэффициент теплоотдачи равен 20 Вт/(м
2
·К).
Термическое сопротивление теплоотдачи при этом равно
______.
5. Физические свойства среды характеризует критерий:
а) Nu; б) Re; в) Gr; г) Pr.
6. Отметить правильные выражения для пограничного слоя
при обтекании внешним потоком текучей среды твёрдой
поверхности:
а) ламинарный слой; б) турбулентный слой; в) ламинарный
подслой; г) турбулентный подслой.
81
7. При ламинарном потоке среды, перенос теплоты в
направлении, нормальном к направлению течения
осуществляется:
а) теплопроводностью; б) теплопроводностью и конвекцией; в)
конвекцией и излучением; г) теплопроводностью, конвекцией и
излучением.
8. Количество теплоты, переданное от жидкости (или газа) к
единице поверхности стенки в единицу времени при разности
температур жидкости и стенки 1К называется коэффициентом
______________.
9. Для стационарного режима конвективного теплообмена
при естественной конвекции:
а) Nu=0; б) Gr=0; в) Pr=0; г) Fo=0.
10. Режим течения при вынужденном теплообмене
определяется критерием:
а) Nu; б) Pr; в) Re; г) Gr.
2.3. Тепловое излучение
Тепловое излучение имеет двойственный характер. С одной
стороны это непрерывный процесс переноса внутренней
энергии излучающего тела путём электромагнитных волн,
распространяющихся в вакууме со скоростью света.
Возбудителем этих волн являются заряженные материальные
частицы, то есть электроны и ионы. При поглощении
электромагнитных волн другими телами энергия излучения
превращается в энергию теплового движения молекул этих тел.
С другой стороны, лучистая энергия испускается и
поглощается веществами не непрерывно, а отдельными
дискретными порциями: квантами света или фотонами –
частицами материи, обладающими энергией, количеством
движения и электромагнитной массой. Энергия кванта равна
h·. Здесь - частота колебаний, с-1; h = 6,63·10
82
-34
Дж·с - пос-
тоянная Планка
Синтезом свойств непрерывности и дискретности излучения
является представление, согласно которому энергия и
импульсы излучения сосредотачиваются в фотонах, а
вероятность их местонахождения в том или ином месте в
электромагнитных волнах. Соответственно этому излучение
характеризуется длиной волны
или частотой колебаний =
с/, где с – скорость света, м/с.
Тепловое (инфракрасное) излучение находится в пределах
длины волн 0,8 10
-3
0,8 мм (рядом с радиоволнами).
2.3.1. Виды лучистых потоков
Любое тело с температурой выше абсолютного нуля
излучает энергию. Полным или интегральным лучистым
потоком (потоком излучения) Q, Вт называют отношение
лучистой энергии по всем длинам волн спектра ко времени
излучения. Интегральный поток, испускаемый с единицы
поверхности F, называется поверхностной плотностью потока
интегрального излучения.
Интегральный поток, испускаемый с единицы поверхности
F, называется поверхностной плотностью потока
интегрального излучения
Е =dQ/dF, Вт/м2.
Спектральная плотность потока излучения
E
= dE/d, Вт/м
Если на поверхность тела падает поток излучения Е
3
, то
пад
часть этого потока ЕА поглощается телом, часть ЕR отражается
и часть ЕD проходит сквозь тело.
Составим баланс лучистых потоков (рис.34).
E
= EA + ER + E
пад
D
Принимаем, что падающее на тело излучение равно единице,
то есть
1 = A+R+D
83
Рис. 34. К составлению баланса лучистых потоков.
Принимаем, что падающее на тело излучение равно
единице, то есть
1 = A+R+D
где А=EA/E
коэффициент отражения тела; D=ED/E
пропускания тела.
Если у тела A=1 (R=D=0) – то такое тело называется
абсолютно чёрным; при R=1(А=D=0) - абсолютно зеркальным
(при идеально диффузном отражении – абсолютно белым); при
D=1 (R=А=0) - абсолютно прозрачным (диатермичным); при
A1, R1, D1 - серым.
Абсолютно чёрных, прозрачных и белых тел в природе не
существует, то есть все тела можно считать серыми.
Достаточно близкими к абсолютно чёрным телам являются
чёрный бархат (А=0,996), сажа (А=0,96), лёд и снег (А=0,95-
0,98). Близки к абсолютно прозрачному телу тонкие слои
сухого воздуха, одноатомных газов (D≤0,99). Близкими к
абсолютно белому телу являются полированные медь, серебро
(R≤0,985).
Твёрдые тела и жидкости (при заметных толщинах слоя) для
тепловых лучей практически непрозрачны и для них D=0 или
Поэтому для упрощения рассмотрения баланса принимают,
– коэффициент поглощения тела; R= ER/E
пад
– коэффициент
пад
1 = A+R
84
пад
–
что процессы поглощения и отражения происходят на
1
1
2
2
5
1
0
T
C
e
C
E
поверхности тел. Если на поверхность такого тела не падает
извне поток лучистой энергии, то поток энергии исходящий от
тела и передаваемый в окружающее пространство называется
собственным излучением тела, Е.
Сумма собственного лучистого теплового потока
испускаемого телом и отражённого этим телом лучистого
потока называется эффективным лучистым потоком
Eэф = E + R·E
пад
Результирующий лучистый поток
q
Величина q
= Eэф - E
рез
показывает суммарный расход или приход
рез
пад
= E - А·E
пад
энергии вследствие лучистого теплообмена тела с окружающей
средой.
2.3.2. Основные законы теплового излучения
Все законы теплового излучения получены применительно к
абсолютно чёрному телу и термодинамическому равновесию
(q
= 0).
рез
Закон Планка
М.Планк в 1900г. установил закон, в соответствии с
которым испускание энергии по длинам волн происходит
неравномерно и зависит от температуры
где E
абсолютно чёрного тела;
C1 = 5,944 10
излучения.
Закон Планка получен теоретическим путём.
Графически закон Планка (для определённой температуры)
представлен на рис. 35.
- спектральная плотность потока излучения
0
17
2
Вт·м
и C2 = 1,4388 10-2 м·К – постоянные
85
1 – абсолютно чёрное тело; 2 – серое тело; 3 – тело с
селективным излучением.
Рис.35. Графическое представление закона Планка.
Закон Стефана-Больцмана
Экспериментально установлен Стефаном в 1879г. и
теоретически подтверждён Больцманом в 1884г.
Закон устанавливает зависимость интегральной плотности
потока излучения чёрного тела от температуры.
E0 = ∫E
0
·d =
·T4
о
где Е0 - поверхностная плотность потока интегрального
излучения абсолютно чёрного тела;
= 5,67·10
о
-8
Вт/(м
2·К4
) постоянная Стефана-Больцмана.
Для удобства практических расчётов закон СтефанаБольцмана представляют в виде
4
где С0 = 5,67 Вт/(м
чёрного тела.
E0 = С0·(Т/100)
2·К4
) – коэффициент излучения абсолютно
Для серых тел закон может быть представлен в виде
Е = ·E0 =·С0·(Т/100)4 = С·(Т/100)
4
где = Е/Е0 – интегральная степень черноты серого тела; С
– интегральный коэффициент излучения серого тела.
Закон Кирхгофа
Закон Кирхгофа (1882г.) устанавливает количественную
связь между энергиями излучения и поглощения поверхностя-
86
ми серых и абсолютно чёрных тел. Этот закон можно получить
из баланса лучистой энергии для излучающей системы,
состоящей из относительно большого замкнутого объёма с
теплоизолированными стенками и помещённых в него тел. В
условиях термодинамического равновесия, для каждого из этих
тел энергия излучения равна поглощённой энергии.
Рассмотрим случай, когда в объёме помещены два
параллельных серых тела бесконечной протяжённости с
плоскими поверхностями одинаковой площади (рис.36).
Рис. 36. К выводу уравнения Кирхгофа.
Считая расстояние между поверхностями тел
незначительным по сравнению с их длиной и шириной, можно
допустить, что поток излучения одного тела полностью
достигает другое. Для случая термодинамического равновесия
при Т1=Т2
Е
= Е
эф1
Е
= Е1 + (1-А1)·Е
эф1
Е
= Е2 + (1-А2)·Е
эф2
эф2
пад.2
пад.1
87
Примем, что одно из тел, например 2 –абсолютно чёрное.
Тогда
Е1 + (1-А1)·Е
0
= Е
0
Откуда
Е1/А1 = Е
0
Или, применительно ко всем телам
Е/А = Е
0
Отношение энергии излучения к энергии поглощения не
зависит от природы тела и равно энергии излучения абсолютно
чёрного тела. Отсюда
Е =АЕ0 = Е
0
где интегральная степень черноты тела = А (только в
условиях термодинамического равновесия). При
неравновесных условиях это выражение имеет место только
при сопоставлении спектральных величин.
2.3.3. Лучистый теплообмен между телами произвольно
расположенными в пространстве
Рассмотрим два тела, произвольно расположенные в
пространстве и участвующие в лучистом теплообмене между
собой, рис.37.
Т
Т
1
2
Рис.37. Лучистый теплообмен между телами произвольно
расположенными в пространстве
Удельный лучистый поток, переданный в результате
теплообмена первой поверхности на вторую
q = E
1-2-E2-1
E
=
1-2
1-2·Eэф1
88
E
)1
1
()1
1
(1
])
100
()
100
[(
2
12
1
21
4
2
4
1
0
12121
AA
TT
C
FQ
пр
АAA
)1
1
()1
1
(1
1
2
12
1
21
1
11
])
100
()
100
[(
21
4
2
4
1
0
21
AA
TT
C
q
=
2-1
где E
- угловые коэффициенты излучения, показывающие какая
2-1
эф1
и E
- эффективные лучистые потоки тел;
эф1
2-1·Eэф2
и
1-2
доля лучистого теплового потока, излучаемая с поверхности
одного тела, попадает на поверхность другого тела
E
= E1+(1 – А1)·E
эф1
E
= E2+(1 – А2)·E
эф2
эф2
эф1
Учитывая, что полный лучистый поток Q = q·F, получаем
где F1 - поверхность тела 1
В вышеприведённом соотношении
где Апр - приведённая поглощательная способность; А1 и А2 –
поглощательные способности 1 и 2 тела.
Приведённый коэффициент излучения для рассмотренных
тел
Спр = Со·А
пр
Анализируя полученную зависимость для двух параллельно
расположенных поверхностей, получаем
1-2
=
= 1; F1 = F2
2-1
Вопросы к разделу 2.3.
1. В чём заключается двойственность характера теплового
89
излучения?
2. Какое излучение называется тепловым?
3. Перечислить основные характеристики теплового
излучения. Определить связь между ними.
4. Что называется серым телом?
5.Чем определяется интенсивность излучения серого тела?
6. Возможно ли применение закона Стефана-Больцмана для
реальных тел?
7. Как происходит испускание лучистой энергии по длинам
волн?
8. Что представляет собой эффективный поток излучения?
Тесты к разделу 2.3.
1. Все законы теплового излучения получены
применительно к:
а) абсолютно чёрному телу; б) термодинамическому
равновесию; в) нормальным физическим условиям; в)
абсолютно белому телу.
2. В вакууме теплота передаётся
а) конвекцией; б) теплопроводностью; в) излучением и
теплопроводностью; г) излучением; д) всеми тремя видами
теплопереноса.
3. При лучистом теплообмене температура тела будет
повышаться, если для него:
а) E<A·Eпад; б) E>A·Eпад; в) E=A·Eпад; г) E ≥ A·Eпад.
4. Если коэффициент отражения серого тела равен 0,4, его
коэффициент пропускания равен 0,3, то коэффициент
поглощения этого тела равен ____________.
5. Эффективный лучистый поток это:
а) сумма собственного и отражённого потоков; б) сумма
собственного и поглощённого потоков; в) сумма собственного
и падающего потоков; г) сумма падающего, отражённого и
поглощённого потоков.
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]