Конвекция.
Мощность, (Вт) отдаваемая нагретой поверхностью за счет естественной конвекции может быть определенна по формуле:
, где (4)
-коэффициент теплообмена между поверхностью и окружающей средой, Вт/м2×град;
t -температура поверхности в градусах;
- температура окружающей среды в градусах;
S-площадь нагретой поверхности, м2.
Здесь, как и в (1) сомножитель можно обозначить тепловым сопротивлениемRт. Значениезависит от большого количества фактов. В зависимости от характера движения теплоносителя различаются четыре режима теплообмена.
1.Пленочный режим.
У поверхности образуется почти неподвижная пленка нагретого теплоносителя. Теплообмен происходит за счет теплопроводности и радиации. Такой режим теплообмена имеет место при небольших температурных перепадах для тел с плавными очертаниями.
2.Закон степени.
(4)
где -коэффициент теплообмена, Вт/(м2×град);
А1-коэффициент зависящий от физических свойств, температуры теплоносителя и характера его движения;
t -температура стержня;
- температура окружающей среды в градусах;
d-диаметр стержня.
3. Закон степени.
, (5)
где А2-коэффициент зависящий от физических свойств, его температуры и характера движения;
L-определяющий размер тела (высота цилиндра или минимальный размер вертикальной стенки) остальное тоже, что и в (4).
При этом законе происходит интенсивное ламинарное и локонообразное движение теплоносителя. Интенсивность теплообмена выше, чем при законе степени .
4. Закон степени.
(6)
А3-коэффициент зависящий от физических свойств, температуры теплоносителя и характера его движения, остальное тоже, что и в (4).
При законе характер движения теплоносителя - вихревой, теплообмен наиболее интенсивный.
Для плоских и цилиндрических поверхностей характер теплообмена определятся неравенством:
(7)
Если неравенство выполняется, то движение теплоносителя подчиняется закону степени [формула (5)], если не выполняется то закону степени[формула (6)].
Значение коэффициентов А2и А3в таблице 2.
tm=0,5×(t + tokp) |
20 |
40 |
60 |
80 |
А2 |
1,38 |
1,34 |
1,31 |
1,29 |
А3 |
1,61 |
1,53 |
1,45 |
1,39 |
Если плоская поверхность расположена горизонтально и отдает теплоту вверх, то полученное значение следует умножить на 1,3, если отдает теплоту вниз то умножить на 0,7
Влияние давления может быть учтено умножением полученного значения на коэффициент Кр:
, где (8)
Н -давление газа охлаждающего поверхность, Па;
Н0-нормальное давление, (105Па);
п -показатель степени в (5) и (6),[и].
Радиация (теплоизлучение).
Всякое нагретое тело отдает часть выделяемой в нем теплоты в виде лучистой энергии. Если оно окружено другими телами, которые не являются абсолютно черными, то часть получаемой ими тепловой энергии, отражается. В зависимости от конфигурации и размеров тел какая то часть энергии попадает обратно на теплоизлучающее тело. Такой процесс может повторятся многократно.
Мощность, отдаваемая нагретой поверхностью за счет лучистой энергии, может быть определенна следующим образом:
, где (9)
Рл-излучаемая мощность, Вт;
en-коэффициент излучения абсолютно черного тела;
С0-const = 5,67 Вт(м2×град);
S - поверхность тела, м2;
Т -температура нагреваемого тела, К0;
Токр-температура окружающих тел, К0.
en - зависит от относительной степени чернотыeтеплоизлучающих и окружающих тел, а также от их конфигурации и размеров.
Таблица 3.
Значение относительной степени черноты eдля некоторых поверхностей.
Поверхность |
e |
Поверхность |
e |
Полированный алюминий |
0,05 |
Масляная краска (любого цвета) |
0,89 -0,93 |
Алюминиевая краска |
0,25 -0,67 |
Эмаль холодной сушки (любого цвета) |
0,92 -0,96 |
Анодированный алюминий |
0,7 -0,9 |
|
|
На практике часто встречаются случаи, когда лучистый теплообмен идет между двумя плоскопараллельными пластинами или когда нагреется выпуклое место с площадью поверхности S1 заключено в оболочку с поверхностьюS2, причемS1³0,5× S2.
Для такой конфигурации тел и указанных значений e(от 0,7 до 0,96) приведенную степень чернотыeпопределяют по формуле:
eп » e1 × e2, где (10)
e1 иe2-относительная степень черноты нагретого и окружающих тел.
Составив уравнение теплового баланса:
Р = Рт+ Рк+Рл , где (11)
Р -мощность выделяемая в нагретом теле, Вт;
Рт, Рк, Рл-определены в (1), (4), (9).
Можно определить установившееся значение температуры нагрева тела.
Решить полученное уравнение относительно tилиDtв явном виде не удается, поэтому его решают методом последовательных приближений.