2.2.2 Узагальнюючі залежності (рівняння подібності) конвективного теплообміну

Сталий конвективний теплообмін у загальному випадку описується наступним рівнянням подібності (крапельні рідини):

(2.40)

Для конкретних умов конвективного теплообміну рівняння (6.10) інколи можна спростити. Під час вимушеного турбулентного руху можна нехтувати впливом вільного руху, тоді із аргументів випадає Gr і рівняння подібності (6.10) приймає вигляд

(2.41)

Під час чистого вільного руху в числі аргументів не буде критерію Re і тоді рівняння подібності запишеться так:

(2.42)

або

У тому випадку, коли робочим середовищем є газ, може бути відсутнім критерій Pr, оскільки він має постійне значення для газів однакової атомності і рівняння подібності (2.41) і (2.42) набувають ще більш простий вигляд:

і (2.43)

Введення множника у рівняння подібності для крапельних рідин дає можливість використовувати ці рівняння під час будь-якого направлення теплового потоку (від стінки до середовища і навпаки) і врахувати зміну фізичних властивостей середовища. Для газів цей множник не має сили. Індекси «р» і «с» означають, що теплофізичні параметри рідини необхідно вибирати з таблиць за її середньою температурою і відповідно за середньою температурою стінки.

2.3 Теплообмін випроміненням

2.3.1 Основні поняття і визначення

Випромінення являє собою процес поширення внутрішньої енергії випромінюючого тіла електромагнітними хвилями.

Електромагнітні хвилі – це електромагнітні збурення, які виходять від випромінюючого тіла і поширюються в вакуумі із швидкістю світла = 3∙10⁸ . Збудниками збурень є заряджені частини, які містяться в речовині. Залежно від довжини хвилі і джерел випромінення розрізняють такі види електромагнітного випромінення: космічне,-випромінення, рентгенівське, ультрафіолетова, видиме, теплове, радіохвилі. Теплове випромінення характеризується довжиною хвилі. Основним характеристиками теплового випромінення є: променистий потік, густина (енергія) випроміненняі інтенсивність (спектральна густина) випромінення.

Потоком монохроматичного випромінення називається кількість енергії, яка випромінюється за одиницю часу в інтервалі довжин хвиль віддо. Сумарне випромінення в усьому інтервалі довжин хвиль у межахдоназивається інтегральним або променистим потоком,.

Променистий потік, який виходить з одиниці поверхні в усіх напрямах напівпростору, називається густиною випромінення ,

. (2.44)

Променистий потік, який виходить із всієї поверхні випромінюючого тіла ,

.

Відношення густини потоку, який випромінюється в безкінечно малому інтервалі довжин хвиль до величини цього інтервалу, називається інтенсивністю випромінення,

. (2.45)

Всі тіла за будь-яких температур випромінюють енергію. При потраплянні променистої енергії на інше тіло, частина їїпоглинається, частина– відбивається, а частинапроходить через тіло. Поглинута енергія тілом знову перетворюється в теплову енергію. Відбита енергія поглинається оточуючими тілами. Сукупні процеси взаємного випускання, поглинання, відбивання і пропускання енергії тілами називається променистим теплообміном.

Рівняння теплового балансу для променистого теплообміну можна записати у вигляді

або ,. (2.46)

де – коефіцієнт поглинання,– коефіцієнт відбивання,– коефіцієнт пропускання.

Тіло називається абсолютно чорним, якщо воно поглинає всю подану на нього енергію (,). Абсолютно чорних тіл у природі не існує. Найбільшу поглинаючу здатність має нафтова сажа, для неї= 0,90 ÷ 0,96.

Якщо вся енергія, яка падає на тіло, відбивається (,), то таке тіло називається дзеркальним (якщо відбивання відбувається за законами геометричної оптики), або абсолютно білим (якщо відбивання дифузійне).

Тіла, які пропускають всю падаючу на них енергію, називаються абсолютно прозорими. Прикладом може служити чисте повітря.

Тіла, поглинаюча здатність яких незалежить від довжини хвилі, називаються сірими.

2.3.2 Основні закони променистого теплообміну. Випромінення абсолютно чорного тіла.

Абсолютно чорне тіло випромінює промені всіх довжин хвиль за будь-яких температур, відмінних від абсолютного нуля. Абсолютно чорні тіла мають найбільшу інтенсивність випромінення порівняно із іншими реальними тілами, які перебувають за однакової з ним температури. Залежність інтенсивності випромінення від довжини хвиліі температури описується законом Планка:

(2.47)

де ,– сталі Планка.

Розподілення спектральної інтенсивності випромінення за довжиною хвиль і температурою показана на рис.2.6.

Зв’язок між довжиною хвилі , якій відповідає максимальна інтенсивність випромінення і температурою, характеризується законом Віна

, (2.48)

де – постійна Віна.

Цей закон можна сформулювати так: максимум інтенсивності випромінення абсолютно чорного тіла при збільшенні температури зміщується в сторону коротких хвиль.

Залежність спектральної густини інтегрального напівсферичного випромінення абсолютно чорного тіла від температури описується законом Стефана-Больцмана

(2.49)

де – коефіцієнт випромінення абсолютно чорного тіла,– абсолютна температура поверхні тіла.

Закон Стефана-Больцмана формулюється так: густина випромінення абсолютно чорного тіла пропорційна четвертому степеню його абсолютної температури.