Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теплогазоснабжение и вентиляция. Учебное пособие для студентов направления «Строительство» профиля «Экспертиза и управление недвижимостью»
.pdf
При естественной конвекции пренебрегают числом Рейнольдса.
Nu= f (Gr, Pr)
Входящий в критерии подобия линейный размер ℓ
называется определяющим размером, так как от этого размера в наибольшей степени зависит величина теплообмена. Физические параметры зависят от температуры, при
которой они выбраны. Определяющей температурой может быть температура внешнего потока среды, температура стенки, температура пограничного слоя и др. Определяющая температура указывается в критериях подобия в
виде индекса, например, Prж, Prст.
Теплообмен излучением – это теплообмен между поверхностями через лучепрозрачную среду. Теплообмен излучением может происходить между телами, находящимися на больших расстояниях одно от другого. Отличным
примером этого явления служит излучение Солнца на Зем-
0
лю. В технике теплообмен излучением имеет место в котлах, в системе отопления зданий, в сушильных агрегатах и
т.п. При высоких температурах теплообмен излучением
преобладает над остальными видами теплообмена и имеет
в связи с этим важное значение. Лучеиспускание тела в
101
пространстве может быть равномерным или направленным.
Тепловое излучение имеет двойственный характер. С
одной стороны, это процесс распространения внутренней
энергии излучающего тела путём электромагнитных волн.
Возбудителем этих волн являются заряженные материальные частицы, то есть электроны и ионы. При поглощении
электромагнитных волн какими-либо другими телами волны вновь превращаются в энергию теплового движения
молекул. 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. Соответственно
этому излучение характеризуется длиной волны или ча-
стотой колебаний = с/.
Тепловое (инфракрасное) излучение находится в пределах длин волн 0,8 .10-3 0,8 мм (рядом с радиоволнами).
Лучистая энергия, испускаемая на какое-либо тело, в
зависимости от его физических свойств, формы и состояния поверхности частично поглощается этим телом и переходит в тепловую (а иногда в другие формы энергии), а
102
остальная часть отражается и частично проходит через не-
DRAo
QQQQ
o
D
o
R
o
A
o
o
Q
O
Q
Q
Q
Q
Q
Q
го.
Обозначим через Qо общее количество лучистой энергии, падающей на тело, а через QА, QR и QD – соответственно количество лучистой энергии, поглощенной, отраженной и прошедшей через него:
.
Тогда, разделив обе части равенства на Q
получим
о,
или
1 = А + R + D,
где А – поглощательная способность тела;
R – отражательная способность тела;
D – пропускная способность тела.
103
Если А = 1 (т.е. R=D=0), то тело полностью поглощает
все падающие на него тепловые лучи и называется абсолютно черным. Абсолютно черных тел в природе нет
(А<1). Свойствами, близкими к абсолютно черному телу,
обладают нефтяная сажа (А=0,9-0,96), вода и лед (А=0,920,95), черное сукно (А=0,98), черный бархат (А=0,955).
Если R=1 (т.е. A=D=0),то тело полностью отражает
падающие на него тепловые лучи. Такое тело называется
зеркальным (если отражение правильное, не рассеянное),
либо абсолютно белым (если отражение рассеянное –
диффузное). К числу тел, близких по свойствам к абсолютно белому телу, относится ряд металлов (золото, медь
и др.). Для полированных металлов R=0,95-0,97. Белая
оштукатуренная наружная поверхность стены хорошо отражает солнечные (видимые) лучи, а невидимые тепловые
лучи интенсивно ею поглощаются.
Если D=1 (т.е. А=R=0), то тело пропускает через себя
все падающие на него лучи. Такое тело называется абсолютно проницаемым (прозрачным), или диатермичным.
Воздух – практически прозрачная среда, твердые тела и
жидкости непрозрачны. Многие тела прозрачны для определенных волн. Так, оконное стекло пропускает световые
104
лучи и почти непрозрачно для ультрафиолетового и длин-
4
100
ТСЕ
оо
новолнового инфракрасного излучения.
A1, R1, D1 - серые тела.
Основные законы теплового излучения. Все законы
теплового излучения получены применительно к абсолютно чёрному телу и термодинамическому равновесию (q
рез
=
0).
Закон Планка: испускание энергии по длинам волн
происходит неравномерно и зависит от температуры
(М.Планк 1900г.)
E
0
C1 = 5,944 10
=2c1/5(e
-17
Вт м2; С2 = 1,4388 10-2 мК
-c2/T
– 1)
Закон Планка получен теоретическим путём.
Закон Стефана-Больцмана. И. Стефан (1879) экспериментально, а Л. Больцман (1881) теоретически установили связь излучательной способности абсолютно черного
тела Ео с температурой. В технических расчетах закон
Стефана-Больцмана используется в следующем виде:
,
где Со – коэффициент излучения абсолютно черного
тела, равный 5,67 Вт/(м2.К4).
105
Применительно к реальным телам закон СтефанаБольцмана приобретает следующий вид:
где С = аСо – коэффициент излучения.
Величина степени черноты, а зависит главным образом от природы тела, температуры и состояния его поверхности (гладкая или шероховатая). Например, чистые
стальные и чугунные поверхности при t = 20 оС имеют а =
0,05-0,45, кирпич красный при той же температуре имеет а
=0,93.
= Е/Е0 – интегральная степень черноты серого тела.
Закон Кирхгофа. Закон Кирхгофа (1882 г.) устанавливает количественную связь между энергиями излучения и
поглощения поверхностями 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.
Е
= Е1 + (1-А1)Е
эф1
Е
= Е2 + (1-А2)Е
эф2
пад.2
пад.1
106
Е
= Е
эф1
эф2
Примем, что одно из тел, например 2 –абсолютно чёрное. Тогда
Е1 + (1-А1)Е
0
= Е
0
Откуда
Е1/А1 = Е
Отношение энергии излучения к энергии поглощения
0
не зависит от природы тела и равно энергии излучения абсолютно чёрного тела.
Отсюда Е =АЕ0 = Е0
= А (интегральная степень черноты тела).
Рассмотренные элементарные виды теплообмена (теплопроводность, конвекция и тепловое излучение) на практике, как правило, протекают одновременно. Конвекция,
например, всегда сопровождается теплопроводностью, излучение часто сопровождается конвекцией. Сочетание различных видов теплообмена может быть весьма разнообразным, и роль их в общем процессе неодинакова. Это так
называемый сложный теплообмен. Процесс теплообмена
между стенкой и омывающим ее газом является типичным
примером сложного теплообмена – совместного действия
конвекции, теплопроводности и теплового излучения.
107
Теплопередача. В теплотехнике часто тепловой поток
от одной жидкости (или газа) к другой передается через
стенку. Такой суммарный процесс теплообмена, в котором
теплоотдача соприкосновением является необходимой составной частью, называется теплопередачей. Расчетные
уравнения теплопередачи зависят от формы стенки, разделяющей теплоносители.
Рассмотрим теплопередачу через плоскую однослойную стенку. Примем, что тепловой поток направлен слева
направо, температура нагретой среды t
лодной среды t
. Температуры поверхностей стенки неиз-
ж.2
, температура хо-
ж.1
вестны; обозначим их t1 и t2.
Передача теплоты в рассматриваемом примере представляет собой процесс сложного теплообмена и состоит
как бы из трех этапов: теплоотдача от нагретой среды
(жидкости или газа) левой поверхности стенки, теплопроводность через стенку и теплоотдача от правой поверхности стенки к холодной среде (жидкости или газу).
108
Напишем три известных уравнения теплового потока.
1. Уравнение теплоотдачи от нагретой среды поверх-
ности стенки
2. Уравнение теплопроводности через стенку
3. Уравнение теплоотдачи от правой поверхности
стенки к холодной среде
Решив эти уравнения относительно частных температурных напоров, получим:
109
1
11.
1
qtt
ж
;
qtt
21
2
2.2
1
qtt
ж
21
2.1.
11
qtt
жж
;
.
Сложив эти уравнения, получим полный температурный
напор
откуда удельный тепловой поток
Величина к называется коэффициентом теплопередачи
и представляет собой мощность теплового потока, проходящего от более нагретой среды к менее нагретой через 1
м2 поверхности стенки за 1 ч при разнице температур между средами 1оС. Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением теплопередаче и обозначается R, м2.К/Вт.
Согласно определению k и R, имеем
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]