Реферат: Конвективний теплообмiн

СОДЕРЖАНИЕ
1. КОНВЕКТИВНИЙ ТЕПЛООБМІН
2. ТЕПЛООБМІН ВИПРОМІНЮВАННЯМ
ЛІТЕРАТУРА


Дата добавления на сайт: 27 апреля 2025

Реферат
Содержание

1. Конвективний теплообмін

2. Теплообмін випромінюванням
Література
1. Конвективний теплообмін

Конвекцією називається перенос теплоти при переміщенні і перемішуванні всієї маси нерівномірно нагрітих рідини чи газу. При цьому, перенос теплоти залежить від швидкості руху рідини чи газу прямо пропорційно. Цей вид передачі теплоти супроводжується завжди теплопровідністю, яка має місце, наприклад, в граничному ламінарному шарі товщиною Конвективний теплообмiн (рис. 1) чи ламінарному підшарі товщиною Конвективний теплообмiн (рис. 2) турбулентного граничного шару (рис.1.1) при обтіканні середовищем твердого тіла.

Конвективний теплообмiн (рис. 3)
Рис.1.1 Схема динамічного граничного шару.

Одночасний перенос теплоти конвекцією і теплопровідністю називається конвективним теплообміном. В інженерних розрахунках часто визначають конвективний теплообмін між потоками рідини чи газу і поверхнею твердого тіла. Цей процес конвективного теплообміну називають конвективною тепловіддачею або просто тепловіддачею.
Диференціальні рівняння конвекції. Процес конвективного теплообміну між поверхнею тіла і середовищем (рідиною або газом) описується законом Ньютона-Ріхмана або диференціальним рівнянням тепловіддачі, згідно з яким, кількість теплоти, переданої від рухомого середовища до поверхні твердого тіла і навпаки прямо пропорційна різниці температур поверхні тіла і середовища:

Конвективний теплообмiн (рис. 4), (1.1)
де Конвективний теплообмiн (рис. 5) - площа теплообміну; Конвективний теплообмiн (рис. 6) - час; a - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/м2·К; Конвективний теплообмiн (рис. 7) - температура поверхні тіла; Конвективний теплообмiн (рис. 8) - температура середовища.
Цю ж теплоту можна визначити за законом Фур’є як теплоту, що проходить через ламінарний шар чи підшар теплопровідністю:

Конвективний теплообмiн (рис. 9). (1.2)

Густина теплового потоку за законом Ньютона-Ріхмана:

Конвективний теплообмiн (рис. 10), (1.3)

Перенос тепла в рухомому середовищі описується диференціальним рівнянням конфекції (рівнянням Фур’є-Кірхгофа):

Конвективний теплообмiн (рис. 11), (1.4)

де Конвективний теплообмiн (рис. 12) - компоненти вектора швидкості W на координатні осі x, y, z, а - коефіцієнт температуропровідності; Конвективний теплообмiн (рис. 13) - температура; Конвективний теплообмiн (рис. 14) - час; qv - потужність внутрішнього джерела (стоку) тепла Вт/м3; ср - теплоємність при постійному тиску, кДж/кг·К; r - густина середовища, кг/м3.
Рух середовища в процесі конвективного теплообміну описується рівнянням руху в’язкої рідини (Нав’є - Стокса), проекція якого на вісь Конвективний теплообмiн (рис. 15):

Конвективний теплообмiн (рис. 16),
Конвективний теплообмiн (рис. 17) (1.5)

де Конвективний теплообмiн (рис. 18) - густина середовища при температурі Конвективний теплообмiн (рис. 19); Конвективний теплообмiн (рис. 20) - прискорення вільного падіння; Конвективний теплообмiн (рис. 21) - коефіцієнт об’ємного розширення (для ідеального газу Конвективний теплообмiн (рис. 22)); Конвективний теплообмiн (рис. 23). Закон збереження маси щодо елементарного об’єму середовища виражається рівнянням нерозривності:

Конвективний теплообмiн (рис. 24). (1.6)

Наведені рівняння разом з умовами однозначності дозволяють аналітично досліджувати задачі конвективного теплообміну в будь-якому конкретному випадку. Рішення цих диференціальних рівнянь складна і трудомістка задача, і вона можлива при обмежених простих випадків. Тому при дослідженні конвективного теплообміну застосовують метод теорії подібності.
Основи теорії подібності. Теорія подібності - це наука про подібні явища. Явища подібні, якщо вони мають подібні умови однозначності і чисельно однакові визначальні критерії подібності.
Подібними явищами називаються такі фізичні явища, що однакові якісно за формою і змістом, тобто мають одну фізичну природу, розвиваються під дією однакових сил і описуються однаковими за формою диференціальними рівняннями і крайовими умовами.
Обов'язковою умовою подібності фізичних явищ повинна бути геометрична подібність систем, де ці явища протікають. Два фізичних явища будуть подібні лише в тому випадку, якщо будуть подібні усі величини, що характеризують їх. Для всіх подібних систем існують безрозмірні комплекси величин, що називаються критеріями подібності.
Основні положення теорії подібності формулюють у вигляді 3-х теорем.
теорема: Подібні явища мають однакові критерії подібності.
теорема: Будь-яка залежність між змінними, що характеризує будь-які явища, може бути представлена, у формі залежності між критеріями подібності, складеними з цих змінних, котра буде називатися критериальным рівнянням.
теорема: Два явища подібні, якщо вони мають подібні умови однозначності і чисельно однакові визначальні критерії подібності.
Умовами однозначності є:
·наявність геометричної подібності систем;
·наявність однакових диференціальних рівнянь;
·існування єдиного рішення рівняння при заданих граничних умовах;
·відомі чисельні значення коефіцієнтів і фізичних параметрів.
За допомогою теорії подібності визначається коефіцієнт тепловіддачі, який є функцією багатьох параметрів:

α = f1 (Х; Ф; lo; xc; yc; zc; Wo; Δt; λ; а; ср; ρ; ν; β), (1.7)

де: Х - характер руху середовища (вільний, примусовий);
Ф - форма поверхні;
lo - характерний розмір поверхні (довжина, висота, діаметр і т.д.);
xc; yc; zc - координати;
Wo - швидкість середовища (рідина, газ);
Δt = (t'ст - t'с) - температурний напір;
λ - коефіцієнт теплопровідності середовища;
а - коефіцієнт температуропровідності середовища;
ср - ізобарна питома теплоємність середовища;
ρ - густина середовища;
ν= μ /r - коефіцієнт кінематичної в'язкості середовища; (μ - коефіцієнт динамічної в'язкості; r - густина середовища);
β - температурний коефіцієнт об'ємного розширення середовища.
Безрозмірний коефіцієнт тепловіддачі, згідно з теорією подоби, розраховується за допомогою критеріального рівняння, яке складається основі експериментальних досліджень для кожного конкретного виду конвективного теплообміну:
= f2 (Х; Ф; X0; Y0; Z0; Re; Gr; Pr), (1.1)

де: X0; Y0; Z0 - безрозмірні координати;
Nu = α·l0/λ - критерій Нуссельта (безрозмірний коефіцієнт тепловіддачі), характеризує теплообмін між поверхнею стінки і рідиною (газом);
Re = W·l0/ν - критерій Рейнольдса, характеризує співвідношення сил інерції і в'язкості і визначає характер течії рідини (газу);
Gr = (β·g·l03·Δt) /ν2 - критерій Грасгофа, характеризує подйомну силу, що виникає в рідині (газі) унаслідок різниці густин;
Pr = ν/а = (μ·cp) /λ - критерій Прандтля, характеризує фізичні властивості рідини (газу).
Після визначення критерію Нуссельта розраховується величина коефіцієнта тепловіддачі:

Конвективний теплообмiн (рис. 25).

Для розрахунку безрозмірного коефіцієнта тепловіддачі використовуються основні розрахункові формули конвективного теплообміну, що дані для середніх значень коефіцієнтів тепловіддачі по поверхні стінки.
Вільна конвекція. В необмеженому просторі (рис.1.2 а):
а). Горизонтальна труба діаметром d при 103 102:
= 0,15· (Gr·Pr) 0,33 · (Prс/Prст) 0,25. (1.11)

Конвективний теплообмiн (рис. 26)
а) б)
Рис.1.2 Зміна Конвективний теплообмiн (рис. 27) по висоті стінки при вільній конвекції в необмеженому просторі (а) і вільна конвекція в обмеженому об’ємі (б)

Тут значення Gr, Pr і Prс беруться при температурі рідини (газу), а Prст при температурі поверхні стінки. Визначальна температура - температура середовища; визначальний лінійний розмір для горизонтальних труб - діаметр, вертикальних поверхонь - висота
в). Горизонтальна пластина: розрахункове значення Nu збільшується на 30%, якщо нагріта поверхня зорієнтована вверх і на 30% зменшується, якщо нагріта поверхня зорієнтована вниз. Визначальний розмір - менша сторона пластини. Для повітря Prс/Prст = 1 і наведені формули спрощуються. В обмеженому просторі (рис.1.2 б) середня густина теплового потоку розраховується за формулами теплопровідності із заміною коефіцієнта теплопровідності Конвективний теплообмiн (рис. 28) середовища еквівалентним Конвективний теплообмiн (рис. 29). Якщо Конвективний теплообмiн (рис. 30), приймається Конвективний теплообмiн (рис. 31). В області Конвективний теплообмiн (рис. 32) приймається Конвективний теплообмiн (рис. 33).
Визначальний розмір - ширина каналу, визначальна температура - середня температура середовища. Густина теплового потоку:

Конвективний теплообмiн (рис. 34).

Примусова конвекція.
Режим течії (рис.1.3) визначається по величині Re.

Конвективний теплообмiн (рис. 35)
а) б)
Рис.1.3 Схеми ламінарної (а) і турбулентної (б) течії рідини в трубах.

а). Течія рідини в гладких трубах круглого перетину.
). ламінарна течія (рис.3. а) - Re l/d125101520304050εl1,21,71,441,211,111,131,051,021,0
). перехідний режим - 2100 Re? 1042,12,22,32,42,53456110ДО01,22,23,33,14,46,010,315,512,527,033,3
). турбулентна течія (рис.1.3 б) - Re = 104
= 0,021· Re0,1·Pr0,43· (Prс/Prст) 0,25·εl. (1.15)

Значення коефіцієнта εl представлені в таблиці 1.3.

Таблиця 1.3.
Значення εl при турбулентному режимі.
l/dεl
Re = 2·103Re = 2·104Re = 2·105
11,21,511,21
21,701,401,22
51,441,271,15
101,211,111,10
151,111,131,01
201,131,111,06
301,051,051,03
401,021,021,02
501,001,001,00

б). Обтікання горизонтальної поверхні.
). ламінарна течія - Re 4·104
= 0,037·Re0,5·Pr0,33 · (Prс/Prст) 0,25. (1.17)

Теплообмін при поперечному обтіканні.

а). Пучки труб (рис.1.4) (кут атаки j = 200). Використовуються два види розташування труб в пучках:
коридорне (рис.1.4 а) і шахового (рис.1.4 б).

Конвективний теплообмiн (рис. 37)
а) б)
Рис.1.4 Схеми розташування труб в пучках.

Середній коефіцієнт тепловіддачі при Конвективний теплообмiн (рис. 38) може бути визначений з рівняння:

Конвективний теплообмiн (рис. 39). (1.11)

Для шахового пучка Конвективний теплообмiн (рис. 40); Конвективний теплообмiн (рис. 41); для коридорного Конвективний теплообмiн (рис. 42); Конвективний теплообмiн (рис. 43). Коефіцієнт, який враховує вплив відносних поперечного Конвективний теплообмiн (рис. 44) і поздовжнього Конвективний теплообмiн (рис. 45) кроків для коридорного пучка Конвективний теплообмiн (рис. 46); для шахового при Конвективний теплообмiн (рис. 47) Конвективний теплообмiн (рис. 48); при Конвективний теплообмiн (рис. 49) Конвективний теплообмiн (рис. 50).
Коефіцієнт, який враховує номер ряду для першого ряду Конвективний теплообмiн (рис. 51); для другого ряду шахового пучка Конвективний теплообмiн (рис. 52) коридорного Конвективний теплообмiн (рис. 53); для третього і наступних рядів Конвективний теплообмiн (рис. 54). За визначальну температуру приймається середня температура середовища, визначальний розмір - зовнішній діаметр труби, швидкість течії середовища - швидкість в самому вузькому перетині ряду труб. Середнє значення коефіцієнта тепловіддачі:

Конвективний теплообмiн (рис. 55), (1.12)

де Конвективний теплообмiн (рис. 56) - середній коефіцієнт тепловіддачі Конвективний теплообмiн (рис. 57)-го ряду; Конвективний теплообмiн (рис. 58) - сумарна площа поверхні труб Конвективний теплообмiн (рис. 59)-го ряду; Конвективний теплообмiн (рис. 60) - число рядів у пучку.
б). Поперечне обтікання одиночної труби.
). при Re = 5 - 103
= 0,57·Re0,5·Pr0,31 · (Prс/Prст) 0,25. (1.20)

). при Re = 103 - 2·105

Nu = 0,25 Re0,6·Pr0,31 · (Prс/Prст) 0,25. (1.21)

Теплообмін при кипінні. При бульбашковому кипінні (т. А-т. К на рис.1.5) теплообмін описується рівнянням:

Конвективний теплообмiн (рис. 61), (1.22)

де Конвективний теплообмiн (рис. 62) - критерій кипіння; Конвективний теплообмiн (рис. 63) - питома теплота випаровування; Конвективний теплообмiн (рис. 64) - густина пари; Конвективний теплообмiн (рис. 65) - відривний діаметр бульбашок; Конвективний теплообмiн (рис. 66) - частота видривання бульбашок. За визначальний геометричний розмір прийнята капілярна стала Конвективний теплообмiн (рис. 67); Конвективний теплообмiн (рис. 68) - напруження поверхневого натягу; Конвективний теплообмiн (рис. 69) - густина рідини.
конвективний теплообмін конвекція подібність
Для води в т. А (рис.1.5) Конвективний теплообмiн (рис. 70); в т. К Конвективний теплообмiн (рис. 71), Конвективний теплообмiн (рис. 72), Конвективний теплообмiн (рис. 73); правіше т. В, Конвективний теплообмiн (рис. 74); Конвективний теплообмiн (рис. 75).
Добуток Конвективний теплообмiн (рис. 76) характеризує середню швидкість росту бульбашок пари Конвективний теплообмiн (рис. 77), яка залежить від тиску. При тиску 0,1МПа для води Конвективний теплообмiн (рис. 78)м/с, етилового спирту Конвективний теплообмiн (рис. 79)м/с. Для різних рідин наближене значення Конвективний теплообмiн (рис. 80) можна знайти за емпіричною формулою:

Конвективний теплообмiн (рис. 81), (1.23)

де Конвективний теплообмiн (рис. 82) - тиск рідини; Конвективний теплообмiн (рис. 83) - критичний тиск.

Конвективний теплообмiн (рис. 84)
Рис. 1.5 Характер зміни
Конвективний теплообмiн (рис. 85) і Конвективний теплообмiн (рис. 86) при кипінні.

На рис. 1.5 (лівіше т. А має місце вільна конвекція; в інтервалі т. А - т. К - бульбашкове кипіння; в інтервалі т. К - т. В - неусталене плівкове кипіння; правіше т. В усталене плівкове кипіння).
Для розрахунку теплообміну при одночасному впливі швидкості примусового руху рідини і кипіння використовується емпірична залежність:
Конвективний теплообмiн (рис. 87), (1.24)

де Конвективний теплообмiн (рис. 88) - шуканий коефіцієнт тепловіддачі; Конвективний теплообмiн (рис. 89) - коефіцієнт тепловіддачі при примусовому русі без кипіння; Конвективний теплообмiн (рис. 90) - коефіцієнт тепловіддачі при розвинутому кипінні.
Теплообмін при конденсації. При конденсації насищеної пари і ламінарній течії плівки конденсату (рис.1.6) за нехтування конвективним переносом теплоти в ній густина теплового потоку:

Конвективний теплообмiн (рис. 91); (1.25), або Конвективний теплообмiн (рис. 92), (1.26)

де Конвективний теплообмiн (рис. 93) - температура зовнішньої поверхні плівки конденсату; Конвективний теплообмiн (рис. 94) - товщина плівки; Конвективний теплообмiн (рис. 95) - коефіцієнт теплопровідності конденсату.

Конвективний теплообмiн (рис. 96)
Рис. 1.6. Схема плівкової конденсації

Для визначення середнього значення Конвективний теплообмiн (рис. 97) при утворенні на поверхні твердого тіла плівки конденсату використовують рівняння:

Конвективний теплообмiн (рис. 98), (1.27)

де Конвективний теплообмiн (рис. 99) - критерій Галілея; Конвективний теплообмiн (рис. 100) - критерій фазового переходу; Конвективний теплообмiн (рис. 101); Конвективний теплообмiн (рис. 102) - температури поверхонь плівки конденсату і твердого тіла (стінки).
Фізичні параметри плівки конденсату Конвективний теплообмiн (рис. 103) визначаються при температурі Конвективний теплообмiн (рис. 104), теплота пароутворення Конвективний теплообмiн (рис. 105) при температурі Конвективний теплообмiн (рис. 106). Для вертикальних труб чи стінки Конвективний теплообмiн (рис. 107), для горизонтальних труб Конвективний теплообмiн (рис. 108). Вплив перегріву пари може бути врахований шляхом підстановки замість Конвективний теплообмiн (рис. 109) величини Конвективний теплообмiн (рис. 110), де Конвективний теплообмiн (рис. 111) - теплота перегріву пари; Конвективний теплообмiн (рис. 112) - ентальпія рідини, що кипить; Конвективний теплообмiн (рис. 113) - ентальпія сухої насиченої пари.
Визначальний для вертикальних стінки чи труби визначальний розмір - їх висота, для горизонтальних - менший розмір пластини і діаметр труби.

2. Теплообмін випромінюванням

Теплове випромінювання являє собою процес поширення в просторі внутрішньої енергії випромінюючого тіла за допомогою електромагнітних хвиль. При розв’язанні задач застосовують поняття: потік випромінювання Конвективний теплообмiн (рис. 114) є величина енергії випромінювання W, віднесена до часу переносу t. Конвективний теплообмiн (рис. 115) - променевий потік Конвективний теплообмiн (рис. 116). Потік випромінювання, що проходить через одиницю поверхні, називається поверхневою густиною потоку або променевою енергією випромінювання:

Конвективний теплообмiн (рис. 117) або Конвективний теплообмiн (рис. 118). (2.1)

Якщо величина Конвективний теплообмiн (рис. 119) для всіх елементів поверхні однакова, то Конвективний теплообмiн (рис. 120).
Випромінювання однієї довжини хвилі чи в діапазоні Конвективний теплообмiн (рис. 121) називається монохроматичним. Поверхнева густина потоку випромінювання монохроматичного випромінювання:

Конвективний теплообмiн (рис. 122) або Конвективний теплообмiн (рис. 123). (2.2)

У загальному випадку енергія, випромінювана тілом при влученні на інші тіла, частково відбивається, частково поглинається і проходить крізь тіло (рис. 2.1):

Конвективний теплообмiн (рис. 124) Е = ЕA + ЕR + ЕD, (2.3)

де ЕA - поглинена енергія; ЕR - відбита енергія; ЕD - енергія, що пройшла через тіло.

Конвективний теплообмiн (рис. 125) або
Конвективний теплообмiн (рис. 126), тоді Конвективний теплообмiн (рис. 127). (2.4)

Конвективний теплообмiн (рис. 128)
Рис. 2.1 Схема балансу променевої енергії

Цю формулу можна представити у вигляді:

Конвективний теплообмiн (рис. 129) (2.5)

де А - поглинальна здатність тіла; R - відбивна здатність тіла; D - пропускна здатність тіла. Кожен з трьох доданків може дорівнювати одиниці: якщо А = 1, то R = 0 і D = 0 і тіло вважають абсолютно чорним; якщо R = 1, то A = 0 і D = 0 і тіло абсолютне біле; якщо D = 1, то A = 0 і R = 0 і тіло є абсолютно прозорим чи діатермічним. Усі тіла в тому чи іншому ступені відбивають, поглинають чи пропускають енергію. Вони називаються сірими тілами.
Закони теплового випромінювання. Закон Планка. Поверхнева густина потоку монохроматичного випромінювання для абсолютно чорного тіла залежить від довжини хвилі і температури тіла (рис. 2.2):

Конвективний теплообмiн (рис. 130) (2.6)

де С1 = 3,74 Ч 10-16 ВтЧм2; С2 = 1,44·10-2 м·К; λ - довжина хвилі випромінювання.

Конвективний теплообмiн (рис. 131)
а) б)
Рис. 2.2 Спектри випромінювання абсолютно чорного тіла при різних температурах (а) і в порівнянні з спектрами випромінювання сірого тіла і газу (б)

Встановлена залежність Конвективний теплообмiн (рис. 132) має максимум, який з підвищенням температури зміщається і область більш коротких хвиль.
Закон Віна (закон зсуву). Зі збільшенням температури довжина хвилі, при якій поверхнева густина потоку монохроматичного випромінювання для абсолютно чорного тіла досягає максимуму зменшується:

lmT = 2114 мкм·К, (2.7)

де lm - довжина хвилі, при якій інтенсивність досягне максимуму.
Математичне вираження закону Віна одержують диференціюванням рівняння Планка, вважаючи отриману похідну рівною нулю: Конвективний теплообмiн (рис. 133) ммЧК. Довжина хвилі lm, мм, що відповідає максимальному значенню Конвективний теплообмiн (рис. 134):
m = 2,114/ T. (2.1)

Використовуючи закон зсуву Віна, можна вимірювати високі температури тіл на відстані, наприклад, розплавлених металів, космічних тіл і ін.
Закон Стефана-Больцмана (закон четвертих ступенів). Для абсолютно чорного тіла інтегральна густина випромінювання Конвективний теплообмiн (рис. 135) пропорційна четвертому ступеню температури ідеального випромінювача. Інтегральну щільність інтенсивності напівсферичного випромінювання одержують у результаті інтегрування рівняння закону Планка по довжині хвилі Конвективний теплообмiн (рис. 136) від 0 до Конвективний теплообмiн (рис. 137):

Конвективний теплообмiн (рис. 138), (2.2)

де Конвективний теплообмiн (рис. 139)Вт/м2 - постійна Стефана-Больцмана.
Для практичних розрахунків математичне вираження закону представляється у вигляді:

Конвективний теплообмiн (рис. 140), (2.10)

де Конвективний теплообмiн (рис. 141), С0 = 5,67 Вт/ (м2ЧК4) - постійна (коефіцієнт) випромінювання абсолютно чорного тіла.
Для сірого тіла закон Стефана-Больцмана має вигляд:

Конвективний теплообмiн (рис. 142) (2.11)

Для зручності розрахунків формулу представляють у вигляді:

Конвективний теплообмiн (рис. 143) (2.12)

де С - коефіцієнт випромінювання сірого тіла, Вт/ (м2ЧК4).
Для оцінки радіаційних властивостей реальних тіл використовується поняття ступеня чорності e як відношення потоку випромінювання тіла до потоку енергії, що випускається ідеальним випромінювачем з тією же температурою й у те ж середовище:

Конвективний теплообмiн (рис. 144). (2.13)

Для сірих тіл закон Стефана-Больцмана записують у вигляді:

Конвективний теплообмiн (рис. 145) (2.14)

де ε - ступінь чорності тіла; ε = С/С0; С0 - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла.
Закон Кірхгофа. Відношення випромінювальної (Е) здатності до поглинальної (А) для всіх сірих тіл однакове і дорівнює випромінювальній здатності абсолютно чорного тіла Е0 при тій же температурі і залежить лише від температури.

Конвективний теплообмiн (рис. 146) (2.15)

Закон Кірхгофа виводиться з розгляду променистого теплообміну між двома паралельними близько розташованими поверхнями, з яких одна сіра, а інша абсолютно чорна. Позначимо температуру, випромінювальну і поглинальну здатності цих поверхонь відповідно Т, Е, А; Т0, Е0, А0, причому Т > Т0.
Сіра стінка випромінює енергію Конвективний теплообмiн (рис. 147) і поглинає частину енергії, що випромінюється чорним тілом Конвективний теплообмiн (рис. 148). Випромінювана сірим тілом енергія Конвективний теплообмiн (рис. 149) і відбита ним енергія Конвективний теплообмiн (рис. 150) потрапляють на чорне тіло і поглинаються ним. Результуюче випромінювання сірого тіла Конвективний теплообмiн (рис. 151). При Конвективний теплообмiн (рис. 152) маємо Конвективний теплообмiн (рис. 153), звідки:

Конвективний теплообмiн (рис. 154) або Конвективний теплообмiн (рис. 155). (2.16)

Із законів Стефана-Больцмана і Кірхгофа слідує, що Конвективний теплообмiн (рис. 156).
Звідки можна отримати:

Конвективний теплообмiн (рис. 157). (2.17)

Випромінювання тіла в процесі променевого теплообміну. Тіло, яке приймає участь у променевому теплообміні крім власного випромінювання Конвективний теплообмiн (рис. 158) відбиває падаючу на нього енергію других тіл (рис.2.3):

Конвективний теплообмiн (рис. 159) (2.11)

Сума енергій власного і вибитого випромінювання становить ефективне випромінювання тіла:

Конвективний теплообмiн (рис. 160). (2.12)

Конвективний теплообмiн (рис. 161)
Рис.2.3 Схема для складання рівняння балансу енергії

Результуюче випромінювання Конвективний теплообмiн (рис. 162) (рис.2.3) є різницею між отримуваним і випускаючим тілом променевими потоками:

для площини а-а Конвективний теплообмiн (рис. 163)
для площини b-b Конвективний теплообмiн (рис. 164)

З цих рівнянь отримаємо:

Конвективний теплообмiн (рис. 165); Конвективний теплообмiн (рис. 166); Конвективний теплообмiн (рис. 167). (2.20)

Взаємне випромінювання двох тіл, одне з яких знаходиться в порожнині іншого. Кількість тепла, що передається від більш нагрітого тіла до менш нагрітого за допомогою випромінювання:

Конвективний теплообмiн (рис. 168) (2.21)

де Т1 і Т2 - температури більш і менш нагрітого тіла відповідно; F - поверхня випромінювання; τ - час; С12 - коефіцієнт взаємного випромінювання (приведений коефіцієнт); j - середній кутовий коефіцієнт, що враховує форму і розмір поверхонь, що беруть участь у теплообміні, їхнє взаємне розташування і відстань між ними (довідкова величина); С12 = ε12С0; ε12 - приведений ступінь чорності; ε1 і ε2 - ступінь чорності тіл 1 і 2.
Якщо поверхня випромінювання більш нагрітого тіла значно менше замкнутої довкола нього поверхні випромінювання твердого тіла, тобто F1 << F2, то С12 = С1.
Якщо тіло, що випромінює тепло, розміщене усередині іншого тіла, то j = 1 (рис.2.4). Тоді

Конвективний теплообмiн (рис. 169), (2.22)

де індекс 1 відноситься до більш нагрітого тіла, індекс 2 - до менш нагрітого.

Конвективний теплообмiн (рис. 170)
Рис.2.4 Теплообмін в замкненому просторі

Взаємне випромінювання двох паралельних однакових за розмірами пластин. Густина потоку результуючого випромінювання при передачі теплоти від більш нагрітої до менш нагрітої паралельних однакових за розмірами пластин:

Конвективний теплообмiн (рис. 171). (2.23)

В свою чергу:

Конвективний теплообмiн (рис. 172); Конвективний теплообмiн (рис. 173). (2.24)

При усталеному режимі: Конвективний теплообмiн (рис. 174).
З останніх чотирьох рівнянь отримаємо:

Конвективний теплообмiн (рис. 175). Звідки:
Конвективний теплообмiн (рис. 176). (2.25)

Згідно законам Кірхгофа і Стефана-Больцмана:

Конвективний теплообмiн (рис. 177). (2.26)

Остаточно отримаємо:

Конвективний теплообмiн (рис. 178), (2.27), де
Конвективний теплообмiн (рис. 179) - приведена поглинальна здатність системи.
Конвективний теплообмiн (рис. 180), де Конвективний теплообмiн (рис. 181) - приведений ступінь чорності.

Теплопередача - процес переносу тепла від одного теплоносія (гарячого) до другого (холодного) через стінку, що розділяє їх.
Запишемо вирази для густини теплового потоку при теплопередачі через плоску одношарову стінку (рис.2.5):
конвективна тепловіддача від середовища з більш високою температурою до лівої грані стінки

Конвективний теплообмiн (рис. 182). (2.21)

передача тепла теплопровідністю через стінку товщиною d

Конвективний теплообмiн (рис. 183). (2.22)

конвективна тепловіддача від правої грані стінки до другого (холодного) середовища

Конвективний теплообмiн (рис. 184). (2.30)

При стандартній тепловіддачі усі три теплові потоки повинні бути однаковими і постійними у часі, тобто:

q1=q2=q3=q. (2.31)

З наведених рівнянь знаходимо часткові температурні перепади:
Конвективний теплообмiн (рис. 185)
Рис.9.5. Теплопередача через плоску стінку.

Конвективний теплообмiн (рис. 186), , (2.32)
Конвективний теплообмiн (рис. 187), (2.33)
Конвективний теплообмiн (рис. 188). (2.34)

Знаходимо повний температурний перепад процесу теплопередачі складанням часткових перепадів і вирішенням системи рівнянь відносно теплового потоку:

Конвективний теплообмiн (рис. 189). (2.35)

Позначимо Конвективний теплообмiн (рис. 190) і отримаємо рівняння теплопередачі через плоску стінку:

Конвективний теплообмiн (рис. 191). (2.36)

Коефіцієнт пропорційності К, Вт/м2ЧК, називається коефіцієнтом теплопередачі. Величина, зворотна коефіцієнту теплопередачі 1/К, називається повним термічним опором теплопередачі (Rпов).

Конвективний теплообмiн (рис. 192). (2.37)

Величини Конвективний теплообмiн (рис. 193), Конвективний теплообмiн (рис. 194) і Конвективний теплообмiн (рис. 195) називаються частковими опорами тепловіддачі (R1 і R3) і теплопровідності стінки (R2).
Якщо стінка складається із п шарів то можна записати:

Конвективний теплообмiн (рис. 196), (2.31)

Тоді рівняння теплопередачі через плоску стінку набуде вигляду:

Конвективний теплообмiн (рис. 197). (2.32)

Коефіцієнт теплопередачі через багатошарову плоску стінку становить:

Конвективний теплообмiн (рис. 198). (2.40)

Визначивши кількість тепла, що передається від одного теплоносія до іншого, можна знайти значення температур на поверхнях стінки:

Конвективний теплообмiн (рис. 199), (2.41)
Конвективний теплообмiн (рис. 200). (2.42)

Теплообмінними апаратами або теплообмінниками називаються пристрої, призначені для передачі тепла від більш нагрітого теплоносія (рідини чи газу) до менш нагрітого (рис.2.6).

Конвективний теплообмiн (рис. 201)
а) б) в)
Рис.2.6 Схеми скруббера (а), обертального регенератора (б) і рекуперативного кожухотрубного теплообмінника.

При тепловому розрахунку рекуперативного теплообмінника (рис.2.7) основними розрахунковими рівняннями є: рівняння теплопередачі для елемента поверхні теплообміну Конвективний теплообмiн (рис. 202); для всієї поверхні теплообміну Конвективний теплообмiн (рис. 203), де Конвективний теплообмiн (рис. 204)і Конвективний теплообмiн (рис. 205) - середні значення коефіцієнтів теплопередачі і температурного напору всього теплообмінника.
рівняння теплового балансу за умови відсутності теплових втрат Конвективний теплообмiн (рис. 206), де Конвективний теплообмiн (рис. 207) - масовий видаток теплоносія, кг/с; Конвективний теплообмiн (рис. 208) - питома ентальпія, Дж/кг; індекси 1 і 2 відносяться до гарячої і холодної рідини, одним штрихом позначені параметри на вході, двома - на виході апарата. За відсутності кипіння чи конденсації: Конвективний теплообмiн (рис. 209), де Конвективний теплообмiн (рис. 210) і Конвективний теплообмiн (рис. 211) - середні теплоємності теплоносіїв. Величина Конвективний теплообмiн (рис. 212) є теплоємністю масового видатку називається витратною теплоємністю. З останніх двох рівнянь слідує: Конвективний теплообмiн (рис. 213), де Конвективний теплообмiн (рис. 214) і Конвективний теплообмiн (рис. 215) - зміни температур гарячого і холодного теплоносіїв.

Конвективний теплообмiн (рис. 216)
Рис. 2.7 Зміна температури робочих тіл при прямотоку (а) і протитоку (б).

Для теплообмінного апарату з прямотоком (рис.2.7 а) тепловий потік, що передається через елемент поверхні:

Конвективний теплообмiн (рис. 217). (2.43)

Температура гарячої рідини знижується на Конвективний теплообмiн (рис. 218) і холодної підвищується на Конвективний теплообмiн (рис. 219).

Відповідно: Конвективний теплообмiн (рис. 220)
Звідки Конвективний теплообмiн (рис. 221) і Конвективний теплообмiн (рис. 222).

Зміна температурного напору визначиться рівнянням:

Конвективний теплообмiн (рис. 223), де Конвективний теплообмiн (рис. 224) (2.44)

Підставляючи значення Конвективний теплообмiн (рис. 225), отримаємо:

Конвективний теплообмiн (рис. 226).

Позначивши Конвективний теплообмiн (рис. 227), перепишемо:

Конвективний теплообмiн (рис. 228) або Конвективний теплообмiн (рис. 229), Конвективний теплообмiн (рис. 230) (2.45)

де Конвективний теплообмiн (рис. 231) і Конвективний теплообмiн (рис. 232) - температурні напори на вході і виході.
Перепишемо у вигляді Конвективний теплообмiн (рис. 233) і підставимо значення Конвективний теплообмiн (рис. 234) і Конвективний теплообмiн (рис. 235):

Конвективний теплообмiн (рис. 236) (2.46)
Тоді Конвективний теплообмiн (рис. 237), але Конвективний теплообмiн (рис. 238). Звідки Конвективний теплообмiн (рис. 239). (2.47)

Аналогічну формулу можна вивести і для апарату з протитоком (рис. 2.7 б):

Конвективний теплообмiн (рис. 240). (2.41)

Для обох випадків можна записати: Конвективний теплообмiн (рис. 241), де Конвективний теплообмiн (рис. 242) і Конвективний теплообмiн (рис. 243) - більший і менший температурні напори.
Знаючи величини Конвективний теплообмiн (рис. 244), Конвективний теплообмiн (рис. 245) і Конвективний теплообмiн (рис. 246) можна обчислити поверхню теплообміну:

Конвективний теплообмiн (рис. 247). (2.42)

Література

1. Скотт Э. - 2-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 560 с. - (Фундаментальная и прикладная физика).
. Каганов М.И. Абстракция в математике и физике / Каганов М.И., Любарский Г.Я. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 352 с.
. Делоне Н.Б. Что такое свет? / Делоне Н.Б. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 56 с. - (Библиотека физ. - мат. лит. для школьников).
. Фейнман Р. Дюжина лекций: шесть попроще и шесть посложнее: пер. с англ. / Фейнман Р. - М.: БИНОМ, 2006. - 318 с.: ил.
. Вятчанин С.П. Физика. Тесты для старшеклассников и абитуриентов: учеб. пособие / Вятчанин С.П. - 2-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 109 с. - (В помощь абитуриенту).
. Миронова, Г.А. Конденсированное состояние вещества: от структурных единиц до живой материи: учеб. пособие / Г.А. Миронова;. - М.: МГУ, 2004 - Т.1. - 532 с.
. Миронова, Г.А. Конденсированное состояние вещества: от структурных единиц до живой материи: учеб. пособие / Г.А. Миронова;. - М.: МГУ, 2006 - Т.2. - 840 с.
. Трубецков, Д.И. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. В 2 т. / Д.И. Трубецков; автор А.Е. Храмов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003 - Т.1. - 496 с.
. Сборник задач по общему курсу физики. В 3 ч.: учеб. пособие / ред.В.А. Овчинкин, автор Д.А. Заикин, автор Э.В. Прут. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: МФТИ, 2002 - Ч.1: Механика. Термодинамика и молекулярная физика. - 2-е изд., испр. и доп. - 448 с.; МО. - (Физика).
. Эксперимент в физике. Физический практикум / Шутов В.И., Сухов В.Г., Подлесный Д.В. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 184 с.

Комментарии:

Вы не можете оставлять комментарии. Пожалуйста, зарегистрируйтесь.