7.2 Розрахунок коефіцієнта теплопередачі конвекцією

Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією чисельно характеризує потужність, яку розсіює або сприймає одиниця поверхні охолоджуваного тіла шляхом конвекції при різниці температур між охолоджуваним тілом і навколишнім середовищем.

Коефіцієнт можна розрахувати з достатньою для практика точністю за наступними формулами:

- для вертикально орієнтованої поверхні заввишки l або циліндра діаметром l (у метрах):

, (7.4)

- для горизонтально орієнтованої поверхні, оберненої нагрітою стороною вгору:

, (7.5)

де а – найменша сторона, що обмежує поверхню, м;

- для горизонтально орієнтованої поверхні, оберненої нагрітою стороною вниз:

(7.6)

Значення коефіцієнта для повітря наведені в табл. 7.1. У цій таблиці величина є середньоарифметична температура, що знаходиться з виразу:

(7.7)

Коефіцієнт розраховується для плоских і циліндричних поверхонь, плоских ребер радіаторів і т.п. Наведені формули дають задовільні результати, якщо виконується нерівність:

, (7.8)

де а – найбільший розмір, що обмежує плоску або циліндричну поверхню, мм.

За найбільший розмір беруться: для пластини – це довжина, для циліндричних поверхонь і напівпровідникових елементів – їх найбільший діаметр.

Якщо ця нерівність не виконується, то формули для розрахунку коефіцієнта мають вигляд:

- для вертикально орієнтованої плоскої поверхні:

(7.9)

- для горизонтально орієнтованої поверхні, оберненої нагрітою стороною вгору:

(7.10)

- для горизонтально орієнтованої поверхні, оберненої нагрітою стороною вниз:

(7.11)

Значення коефіцієнта для повітря приведені в табл. 7.2.

Таблиця 7.1 - Залежність коефіцієнта від

tm, оС	10	20	30	40	60	80	100	120	140	150
k1	1,40	1,38	1,36	1,34	1,31	1,29	1,27	1,26	1,25	1,24

Таблиця 7.2 - Залежність коефіцієнта від

tm, оС	0	20	40	60	80	100	150
k1	1,69	1,69	1,53	1,45	1,39	1,33	1,23

7.3 Розрахунок коефіцієнта теплопередачі випромінюванням

В умовах вільної конвекції значна частина енергії розсіюється в навколишнє середовище шляхом випромінювання. Для розрахунку потужності Р, що передається тепловим випромінюванням в одиницю часу від поверхні площею S у навколишнє середовище, можна використати формулу:

, (7.12)

де - коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням, Вт/(м²^оС).

Коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням залежить від ступеня чорноти  тіл, що беруть участь у теплообміні. Ступінь чорноти  характеризується відношенням потужності випромінювання Р реального тіла до потужності випромінювання Р₀ абсолютно чорного тіла при одній і тій же температурі.

Ступінь чорноти різних тіл може змінюватися від нуля (абсолютно біле тіло) до одиниці (абсолютно чорне тіло).

Значення ступеня чорноти деяких матеріалів при різних станах їх поверхонь приведені в табл. 7.3 [20].

Таблиця 7.3 - Параметри матеріалів

Матеріал і стан поверхні	Температура, оС	Ступінь чорноти, 
1	2	3
Алюміній листовий	25	0,07
Алюміній (сильно окислений)	35-500	0,2-0,31
Алюмінієва фольга без масла	100	0.09
Алюмінієва фольга, покрита шаром масла	100	0.56
Дюралюміній Д-16	-	0.37-0.4
Залізо листове нікельоване поліроване	100	0.06
Залізо луджене блискуче	-	0.06
Залізо оцинковане старе	-	0.28
Залізо, вкрите іржею	-	0.68
Фарба захисна зелена	20	0.90
Фарба бронзова	100	0.51
Фарба алюмінієва	100	0.28
Фарби емалеві; лаки	100	0.92
Латунь полірована	25	0.05
Латунь прокатана необроблена	-	0,07
Латунь, прокатана і грубо оброблена	25	0,20
Латунь тьмяна	50-300	0,22
Латунь хромована полірована	100	0,075
Мідь шорстка	-	0,72
Мідь тягнута	-	0,97
Мідь шліфована	20	0,03
Мідь, зчищена до блиску	20	0,07
Мідь полірована	100	0,04
Окиси металів	-	0,04-0,8

Продовження таблиці 7.3

1	2	3
Луджене покрівельне залізо	100	0,7-0,09
Силумінове литво (у пісочній формі)	100	0,33
Силумінове литво (у кокільній формі )	100	0,2
Сталь полірована	100	0,066
Сталь листова з плівкою від прокатки	100	0,66
Оцинковане залізо	25	0,23-0,27
Чавун з гладкою поверхнею	25	0,80
Чавун з шорсткою поверхнею	25	0,82

Значення коефіцієнта тепловіддачі випромінюванням розраховується за формулою:

, (7.13)

де - приведена ступінь чорноти системи тіл, між якими відбувається процес променистого теплообміну;

- коефіцієнт опромінення, залежить від розташування системи тіл.

Через  позначена функція від температури першої t₁ і другою t₂ поверхонь, що беруть участь в променистому теплообміні. Значення функції  (Вт/(м²^оС)) від t₁ і t₂ представлені в таблиці Б1 додатку Б.

Розрахунок променистого теплообміну зводиться до визначення значень і .

Наведені нижче формули для розрахунку і дані для найбільш поширених випадків теплообміну випромінюванням між нагрітими тілами.

При теплообміні випромінюванням поверхні, що має площу S₁, з навколишнім середовищем значення і знаходяться з виразів:

,

, (7.14)

При двох паралельних площинах, розміри яких значно більші за відстань між ними (рис. 7.1, а) і знаходяться з формул:

,

(7.15)

Якщо одне тіло без вигинів знаходиться всередині іншого тіла (рис. 7.1, б), то:

,

, (7.16)

При двох однакових площинах, розташованих на відстані h одна від одної (а₁ і а₂ – довжини сторін прямокутника; D – діаметр кола на рис. 7.1, а), значення коефіцієнта можна визначити з графіка на рис. 7.2.

На рис. 7.3 показаний графік для визначення коефіцієнта взаємо перпендикулярних прямокутників, що мають спільну грань а₂ (рис. 7.1, б).

Для внутрішніх поверхонь ребристого радіатора:

, (7.17)

де b – відстань між ребрами,

h – висота ребра.

Загальний коефіцієнт тепловіддачі  знаходиться з виразу:

(7.18)

а – паралельне розміщення площин, які приймають участь у теплообміні;

б – коаксіальне розміщення площин, які приймають участь у теплообміні

Рисунок 7.1 – Взаємне розташування тіл, що беруть участь в променистому теплообміні

Для внутрішніх поверхонь ребристого радіатора коефіцієнт тепловіддачі визначається для кожної і-тої поверхні із співвідношення:

, (7.19)

де

— середня температура поверхні радіатора.

l – смуги ( ),

2 – прямокутники ( ),

3 – квадрати,

4 – кола.

Рисунок 7.2 – Коефіцієнт опромінення паралельних плоских тіл