Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Конвективный теплообмен. Критерии теплового подобия. Обобщённое уравнение теплового подобия



Теплообмен между поверхностью твёрдого тела и жидкой или газообразной средой при их непосредственном соприкосновении - теплоотдача или конвективный теплообмен. Передача тепла от поверхности твёрдого тела в ядро жидкой среды или от жидкой среды к поверхности твёрдого тела осуществляется теплопроводностью и конвекцией. Интенсивность конвективного теплообмена в основном определяется наличием и толщиной ламинарного пограничного слоя dг. Через этот слой тепло передаётся лишь путём теплопроводности. Толщина ламинарного пограничного слоя dг зависит от режима движения жидкости. Она уменьшается с увеличением скорости движения жидкости и уменьшением вязкости. Поэтому интенсивность теплоотдачи находится в прямой зависимости от скорости потока и в обратной – от вязкости среды.

В основе расчётов конвективного теплообмена лежит закон Ньютона:

dQ=adF(tп-tср)dt,Дж/ккал (1)

Q, переданной от теплообменной поверхности в окружающую её среду или, наоборот, от окружающей среды к теплообменной поверхности, прямо пропорционально площади поверхности теплообмена dF, разности T между поверхностью тела и средой (tп-tср) и временем dt.Коэффициент теплоотдачи a, характеризует интенсивность теплообмена. Представляет собой количество теплоты Q, отдаваемой единицей поверхности в единицу времени при разности температур между твёрдой поверхностью и средой в один градус. Размерность находится из уравнения (1).

Излучением- процесс переноса энергии в виде электромагнитных волн.

Тепловое излучение – результат внутриатомных процессов. Интенсивность теплового излучения возрастает с повышением Т тела. Распространяется в виде потока частиц, называемых квантами или фотонами, и обладает свойствами электромагнитных волн.

Тепловое и световое излучения имеют одинаковую природу, только различаются по длине волны. Длина волны световых лучей 0,4-0,8 мкм, инфракрасных лучей 0,8-400 мкм. Все тела не только излучают, но и непрерывно также поглощают лучистую энергию. При одинаковой температуре вся система тел находится в подвижном тепловом равновесии.

Количество энергии, излучаемое единицей поверхности в единицу времени, называется лучеиспускательной способностью тела

Е=Q/F,[Вт/м2] (5)

Из общего количества энергии Qo, падающей на тело, часть её поглощается QА, часть QR отражается и часть проходит сквозь тела QD. Тогда баланс энергии составит:

QА+QR+QD=Qo (6)

Если тело поглощает всю падающую на него энергию, А = 1, а R = D = 0, такое тело называется абсолютно чёрным.

В природе абсолютно чёрных тел не существует. Наибольшей поглотительной способностью обладает нефтяная сажа, для которой А = 0,9-0,96. Если R = 1, то A = D = 0. Это означает, что вся энергия, падающая на тело, отражается. Такое тело называется абсолютно белым или зеркальным. Для полированных металлов R достигает 0,06-0,88. Если тело пропускает всю падающую на него энергию, такое тело называется абсолютно прозрачным или диатермичным. D = 1, а A = R = 0. Пример: чистый воздух. Кирхгофф установил, что отношение Е любого тела к его лучепоглощательной способности при той же температуре является величиной постоянной, равной Е абсолютно чёрного тела:

Е1/А1 = Е2/А2 = … Еn/Аn = Еo/Аo = Еo = f(T)

где Ао – относится к абсолютно чёрному телу, Ао = 1.

Отношение Е любого тела к Е абсолютно чёрного называется степенью черноты:

e = Е/Eo

Лучистый теплообмен между двумя телами, произвольно расположенными в пространстве, рассчитывается по формуле:

Q1-2 = eп Co Fр [(Т1/100)4 - (Т2/100)4] j1-2, [Bт] (10),

где Fр – условная расчётная поверхность теплообмена

j1-2 – средний угловой коэффициент облучения

j1-2 = Q1-2/Q1, где Q1 – количество энергии, излучаемой первым телом.

Расчётная формула лучистого теплообмена между телом и окружающей средой имеет следующий вид:

Q1-2 = e1 Co F1 [(Т1/100)4 - (Т2/100)4] - A1(s) F2 Еs, [Bт]

где Q1-2 – количество отданного телом тепла, Вт

Т1 – температура тела, К,

Т2 – температура окружающего пространства, К

Еs – облучающая способность солнца, Вт/м2

A1(s) – поглотительная способность тела по отношению к солнечным лучам

F1 – поверхность тела, получающего энергию, м2

F2 – поверхность тела, освещаемая солнцем, м2

Излучение газов отличается от излучения твёрдых тел. Газы излучают и поглощают энергию не во всём диапазоне волн, как это характерно для твёрдых тел, а лишь в определённых интервалах волн, в так называемых полосах, и вне этих полос они прозрачны. Газы излучают и поглощают всем объёмом, а твёрдые тела – только поверхностью.

Лучеиспускательная способность газов несколько отклоняется от закона Стефана-Больцмана.

Е = C(Т1/100)4, где С – коэффициент лучеиспускания

С = er Со, где Со - коэффициент лучеиспускания абсолютно чёрного тела

Расчётное уравнение (приближённое) для лучистого теплообмена между газом и поверхностью тела имеет вид:

E = er eп.эф. Co [(Тгаз/100)4 - (Тпв.тела/100)4] ,

где eп.эф. – эффективная степень черноты, принимается средней между eп и единицей

eп.эф. = (en + 1)/2

Аналитическую зависимость между параметрами, определяющими значение коэффициента теплоотдачи, получить невозможно, поэтому на помощь привлекается эксперимент и теория подобия.

(1)

Уравнение, характеризующее условия теплообмена на границе раздела движущейся среды и твёрдого тела, имеет вид:

(2)

Точное решение дифференциальных уравнений (2) и (3) возможно лишь в редких случаях. Поэтому из данных уравнений методом теории подобия выводятся критерии подобия, и конвективный теплообмен представляется обобщённым уравнением в форме зависимости между критериями подобия. Эта зависимость имеет вид: Nu = f(Re, Pr, Gr, l/lo … ln/lo), (4)

где Nu = al/l, критерий Нуссельта Nu характеризует отношение суммарного переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью (т.е. теплоотдачей) к теплоте, передаваемой теплопроводностью (l – определяющий геометрический размер: например, для потоков, движущихся в трубе, - диаметр трубы) .

Re = wdr/m, критерий Рейнольдса Re, характеризует режим течения жидкости или газа или отношение сил трения к инерционным силам.

Pr = mc/l, критерий Прандтля Pr, характеризует подобие физических свойств теплоносителей и выражает меру отношения переноса импульса посредством внутреннего трения к переносу тепла посредством теплопроводности.

Gr = glr2bDt/m, критерий Грасгофа Gr, показывает отношение сил вязкости к произведению подъёмной силы, определяемой разностью плотностей в различных точках неизотермического потока и силы инерции. Он характеризует движение при естественной конвекции

где b - коэффициент объёмного расширения, град-1

l – геометрический размер, м

Dt – разность температур между теплопередающей поверхностью и

жидкостью или газом, град

C – теплоёмкость потока, Дж/(кг×град).

При вынужденном движении жидкости (принудительная конвекция) уравнение (4) имеет вид:

Nu = с Rem Prn (l/d)R или Nu = f1(Re, Pr, l/lo … ln/lo)

где m, n, k, c – величины, определяемые из опытов.

При естественной конвекции уравнение (4) может быть представлено в виде

Nu = с Grm Prn (l/d)R или Nu = f2(Gr, Pr, l/lo … ln/lo)

 

 

9. Лучистый теплообмен. Отличие и сходство лучистого теплообмена с теплопроводностью и конвекцией.

Лучистый теплообмен

Твердые тела излучают одновременно тепловые лучи (электромагнитные волны) всех длин от 40 до 400 мкм, поэтому спектр излучения твердых тел называют сплошным.

В отличие от твердых тел, газы излучают тепловые лучи избирательно, на нескольких длинах волн. Например, на длине волны 1, 2, 3.

Твердые тела поглощают падающие на их поверхность тепловые лучи всех длин. Газы поглощают только те длины тепловых лучей, которые сами могут излучать, например 1, 2, 3. Для других длин тепловых лучей газ «прозрачен».

По закону Стефана-Больцмана излучательная способность Е0, Вт/м2, абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры Т.ЕО =  Т4,

где  = 5,6710-8 – коэффициент пропорциональности, Вт/м2К4.

ЕО = 5,67 (Т/100)4. (9.17)

Все природные тела называют серыми. Отношение излучательной способности Е серого тела к излучательной способности ЕО абсолютно черного тела при одинаковой температуре Т называют степенью черноты серого тела . Е/Е0 = ; откуда Е =  Е0 или

Е = 5,67  (Т/100)4. (9.18)

Степень черноты серых тел зависит от температуры, поэтому дается в справочниках в виде таблиц или графических зависимостей  = f (Т).




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.