3.10.1. Теплоотдача при свободной конвекции между двумя горизонтальными поверхностями.
Если нагретая поверхность расположена сверху, то тепло передается только теплопроводностью. Если нагретая поверхность расположена снизу, то свободная конвекция начинается при GrPr>1700. До значений GrPr<47000 режим движения ячеистый ламинарный, а после переходит в турбулентный.
Свободная конвекция в этом случае рассчитывается по уравнениям:
- для воды и других жидкостей
в пределах 3105GrPr7109; 0,02Pr8750;
- для воздуха и двухатомных газов
при
104<Gr<4105,
при
Gr>4105.
За определяющий размер берут расстояние между поверхностями , за определяющую температуру, среднюю между температурами поверхностей tопр=0,5(tст1 + tст2).
3.10.2. Теплоотдача при свободной конвекции между двумя вертикальными поверхностями.
В этом случае теплоотдача зависит от отношения Н/, где Н - высота поверхностей, - расстояние между ними. При Н/ <3, теплоотдачу рассчитывают по уравнениям одиночной пластины, т.к. в этом случае восходящий поток на горячей пластине не влияет на опускной поток на холодной. При Н/ >3 это влияние существенно изменяет режим движения и теплоотдачу между пластинами.
Для упрощения задачи принимают, что тепловой поток между двумя вертикальными поверхностями можно определить по уравнению теплопроводности
,
где эк - эквивалентный коэффициент теплопроводности, учитывающий также, конвективный перенос тепла в прослойке жидкости между вертикальными поверхностями с температурами tст1 и tст2.
эк=кж
где к, коэффициент учитывающий конвективный перенос тепловой энергии, определяемый из уравнения, при GrPr>103
При GrPr<103 к=1,0
В этом уравнении при определении критериев за определяющий размер принимают среднее расстояние между поверхностями, за определяющую температуру - средняя температура между поверхностями tср=0,5(tст1+tст2)
4. Теплообмен излучением.
4.1. Основные характеристики теплообмена излучением.
В нагретых телах в зависимости от температуры, часть тепловой энергии может переходить в лучистую энергию в результате сложных внутриатомных процессов. Тепловое излучение представляет собой испускаемые нагретым телом электромагнитные волны определенной длины (в основном инфракрасное излучение с длиной волны от 0,8 до 800 мкм), которые попадая на другое тело, способны вновь превращаться в тепловую энергию.
Тепловое излучение характеризуется длиной волны () и частотой колебаний () электромагнитного поля. Зависимость между ними C=, где С=3108 м/с - скорость распространения электромагнитных колебаний (скорость света).
Если тела излучают энергию на всех длинах волн, то такое излучение называют непрерывным (сплошным) излучением, если излучение происходит только на определенных длинах волн, оно называется селективным (избирательным) излучением (газы, чистые металлы и др.).
Суммарное излучение с поверхности тела в единицу времени по всем направлениям полусферы на всех длинах волн называется интегральным излучением (Q).
Интегральное излучение с единицы поверхности тела называется плотностью потока интегрального излучения, или излучательной способностью тела.
.
Спектральной плотностью потока излучения, называется величина
В общем случае лучистая энергия, попадающая на поверхность тела, частично отражается телом, частично поглощается им и, оставшаяся часть проходит сквозь тело. Соответствующие доли потока лучистой энергии называются: коэффициентом поглощения тела - А, отражения - R и проницаемости - Д.
Понятно, что
А+R+Д=1.
Если R=0 и Д=0, то А=1. Такое тело поглощает всю попадающую на него лучистую энергию и условно называется абсолютно черным телом. При А=0 и Д=0 R=1. Такое тело отражает всю падающую на него энергию и условно называется абсолютно белым телом. Если А=0 и R=0, то Д=1. Такое тело пропускает через себя весь поток излучения и условно называется абсолютно прозрачным или диатермичным телом.
В природе не существует абсолютных тел. Все твердые и жидкие тела практически непрозрачны для теплового излучения, но способны к одновременному излучению и поглощению энергии на волнах всех длин. Поэтому реальные природные тела условно называются серыми телами.
В большинстве тел Д=0 и А+R=1.
Сумма потоков собственного и отраженного излучения тела называют эффективным излучением тела.
.
Из
условия
следует
где ЕА = доля поглощенного падающего излучения.
Следовательно
и
,
где Е=Есоб
Для
абсолютно черного тела А=1
и следовательно
Разность между собственным излучением тела и поглощенным лучистым потоком называется результирующим излучением
Суммарный процесс взаимного испускания, поглощения, отражения и пропускания энергии излучения в системах тел называется лучистым теплообменом.