Теплопередача конвекцией в вынужденном потоке

При вынужденном движении вязкой жидкости или газа тепло­передача конвекцией зависит от большего числа факторов, чем присвободном потоке.

Как известно существует ламинарное и турбулентное движение жидкости или газа.

При ламинарном течении жидкостей и газов по трубам и каналам Rе < 2300. Если считать, что струи движутся параллельно и нет переноса тепла, частицами в направлении, перпендикулярном движению, то теплопередача происходит только теплопроводностью и Nи=Сопst.

В действительности же при ламинарном режиме движения происходит конвективный перенос тепла в направлении, перпендикулярном скорости движения. Поэтому МД.. Михеев на основании обобщения экспериментальных данных рекомендует следующую кри­териальную зависимость для определения Nи_f

(99)

При турбулентном режиме Rе > 10⁴ критериальное соотношение примет вид:

(100)

Эти формулы применимы при расчете теплопередачи к стенкам труб любой формы поперечного.сечения, а также для продольно омыва­емых пучков труб (при L/d_экв > 50). За определяющий размер принимают эквивалентный диаметр,

где F - площадь сечения трубы;

П - полный (смоченный) периметр независимо от того, ка­кая его часть участвует в теплообмене.

При отношении длины трубы к эквивалентному диаметру (L/d_экв > 50) значение коэффициента теплоотдачи изменяется и поэтому вводят поправку ε_L, на которую необходимо умножить α_υ, полученный по формуле.

При движении газа или жидкости в изогнутых трубах вслед­ствие центробежного эффекта коэффициент теплоотдачи выше. В этих случаях коэффициент теплоотдачи рассчитывают по тем же формам, что и для прямой трубы, а затем вносят поправочный коэф­фициент ε_R

(101)

где R - радиус змеевика, м;

d - диаметр трубы, м.

Практическое значение имеют также формулы для определе­ния коэффициента теплоотдачи при омывании пучка труб (расчет рекуператоров). Трубы в пучках могут быть расположены в коридорном и в шахматном порядке.

Условие теплоотдачи изменяются по рядам труб. Вследствие увеличения турбулентности теплоотдача второго и третьего ряда постепенно возрастает по сравнению с первым.

Для третьего и последующих рядов труб коэффициент теп­лоотдачи можно найти из следующих критериальных соотношений: при коридорном пучке

(102)

при шахматном пучке

(103)

Эти формулы справедливы для Rе_f = 2^.10³ ÷ 2^.10⁵ и в них в качестве определяющей температуры принята средняя температура жидкости, в качестве определяющей; скорости - скорость в самом узком сечении ряда, в качестве определяющего размера диаметр трубки.

Для трубок первого ряда значение α_к составляет 60% от значений, полученных по этим формулам. Средний коэффициент теплоотдачи для пучка определяют, применяя усредненные зна­чения α_к для разных рядов.

В теплообменниках промышленных предприятий вследствие загрязнения поверхностей нагрева обычно в расчетах коэффици­ент теплоотдачи уменьшают на 20-25%.

Теплообмен при продольном обтекании плиты,

Прямоугольного параллелепипеда

 

В работе нагревательных устройств большое значение имеет теплообмен при продольном обтекании плиты и прямоугольного параллелепипеда. Теплоотдача плиты при продольном обтекании ее потоком воздуха может быть описана уравнением:

В области Rе =30000-85000

Nu = 0,031

В области

Rе < 30000

Nu = 9,3

Опыты проводились по выявлению угла атаки на теплоотда­чу, результаты которых могут быть представлены уравнением

Nu = с Rе^п,

где с и п зависят от угла, атаки (табл.3). Из этих дан­ных видно, что с увеличением угла, атаки теплоотдача возрас­тает.

 

Таблица 3 Зависимость коэффициентов с и п от угла атаки

 

φ	30^о	60^о	90^о
Rе
п	0,26	0,59	0,40	0,57	0,40	0,57
с	9,20	0,363	2,75	0,519	2,85	0,55

 

На основании опытов было также установлено, для случая набегания потока на. грань параллелепипеда

 

Nu = 0,220 Rе^0,62 (104)

Для случая набегания потока на ребро параллелепипеда

 

Nu = 0,412 Rе^0,55 (105)

Значение теплопередачи конвекцией в

Нагревательных печах

 

Большое значение для рабочего пространства нагревательных печей имеет конвекция при температурах в печи ниже 600-700°С и средней скорости потока газов, омывающих поверхность нагрева, больше 5м/сек. В остальных случаях, за исключением нагрева в жидких средах, она имеет вспомогательное значение. Однако для всех видов газо- и воздухонагревателей имеет пер­востепенную важность. Особое значение конвективная состав­ляющая имеет при охлаждении металла после обработки давлени­ем или термообработок, Дело в том, что весь технологический цикл включает не только процесс нагрева, но и охлаждения.

Для ориентировочных расчетов необходимо также знать пределы изменения коэффициента теплоотдачи конвекцией при разных условиях (табл.4)

Таблица 4 Пределы изменения коэффициента теплоотдачи

конвекцией при различных условиях

 

п/п	Условиетеплообмена	Пределы изменения коэффициентов теплоотдачи, Вт/м^2град
	Для газов при естественной конвекции Для воды при естественной кон­векции Для газов при движении в трубах и ка­налах или между трубами Для воды при движении в трубах При кипении воды (пузырчатое)	6 -116   116 -1160   12 350     600 -11600   2320 -46400

 

 

Лучистый теплообмен

Общие положения

Тепловое излучение представляет собой процесс распространения внутренней энергии излучающего тела путем электромагнитных волн. Электромагнитными волнами называют электромагнитные возмущения, исходящие от излучающего тела и распространяющиеся в вакууме со скоростью света, равной 3^.10⁸ м/с. При поглощении электромагнитных волн какими-либо другими телами они вновь превращаются в тепловую энергию. Возбудителями электромагнитных волн являются заряженные материальные частицы, т.е. электроны и ионы, входящие в состав вещества. При этом колебание ионов соответствует излучению низкой частоты; излучение, обусловленное движением электронов, может иметь высокую частоту, если они входят в состав атомов и молекул и удерживаются около своего центра равновесия значительными силами.

В металлах многие электроны являются свободными, и поэтому нельзя говорить о колебаниях около центров равновесия. Электроны движутся и при этом испытывают нерегулярное торможение. Вследствие этого излучение металлов приобретает характер импульсов и имеет волны различной частоты, в том числе и волны низкой частоты.

Помимо волновых свойств, излучение обладает также и корпускулярными свойствами. Корпускулярные свойства состоят в том, что лучистая энергия испускается и поглощается материальными телами не непрерывно, а отдельными дискретными порциями – квантами света или же фотонами. Испускаемый фотон – частица материи, обладающая энергией, количеством движения и электромагнитной массой.

Поэтому тепловое излучение можно рассматривать как фотонный газ. Прохождение фотонов через вещество есть процесс поглощения и последующего испускания энергии фотонов атомами и молекулами вещества.

Таким образом, излучение имеет двойственный характер, поскольку оно обладает свойствами непрерывности полей электромагнитных волн и свойствами дискретности, типичными для фотонов. синтезом обоих свойств является представление, согласно которому энергия и импульсы сосредотачиваются в фотонах, а вероятность нахождения их в том или ином месте пространства в волнах,

Классификация излучения в зависимости от длины волны приведены в табл. 5.

Таблица 5 – Классификация электромагнитного излучения в

зависимости от длин волн

Виды излучения	Длина волны
Космическое	0,05 мкмк*
g -излучение	0,5¸0,10 мкмк
Рентгеновское	1мкмк¸20 ммк
Ультрафиолетовое	20 ммк¸0,4 мк
Видимое	0,4¸0,8 мк
Тепловое (инфракрасное)	0,8 мк¸0,8мм
Радиоволны	более 0,2 мм

 

Некоторые виды излучения обладают свойствами превращаться в тепловую энергию. Поглощение телами энергии вызывает нагревание. Это свойство излучения определяется длиной волны в зависимости от температуры тела. В наибольшей мере такими свойствами обладает инфракрасное излучение с длиной волны от 0,4 до 40 мк. Видимый диапазон излучения - 0,4¸0,8 мк. Это излучение называется тепловым, а процесс распространения его энергии между телами в пространстве – тепловым излучением или лучистым теплообменом.

Квантовые или корпускулярные свойства проявляются наиболее существенно в коротковолновом излучении. Характерные волновые свойства наиболее отчетливо наблюдаются у радиоволн.

Большинство твердых и жидких тел имеют сплошной спектр излучения. Чистые металлы и газы характеризуются выборочным или селективным излучением.

Подавляющее большинство встречающихся в природе и технике твердых и жидких тел имеют значительную поглощательную и излучательную способность. Вследствие этого в процессах лучистого теплообмена участвуют лишь тонкие поверхностные слои. Для проводников тепла толщина этих слоем имеет порядок 1 мк, а для непроводников тепла – порядок 1 мм. Поэтому, применительно к твердым телам, а также жидкостям, тепловое излучение в ряде случаев приближенно можно рассматривать как поверхностное явление. Газообразные тела имеют значительно меньшее излучение, чем твердые и жидкие тела. Поэтому в излучении газов участвуют все его частицы, и процесс теплового излучения носит объемный характер. Излучение всех тел зависит от температуры. С увеличение температуры излучение увеличивается, так как увеличивается внутренняя энергия тела. Кроме того, изменение температуры сопровождается изменением спектрального состава излучения. При увеличении температуры растет интенсивность коротковолнового излучения, а интенсивность длинноволнового излучения уменьшается.

 

Основные понятия

Излучение, относящееся к узкому интервалу длин волн от l до l +D l, называется потоком монохроматического, спектрального или однородного излучения (Q_l).

Суммарное излучение с поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства и по всем длинам волн спектра называется интегральным или полным лучистым потоком (Q).

Интегральный лучистый поток, испускаемый с единицы поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства, называется интегральной плотностью полусферического излучения или излучательной способностью тела

, Вт/м², (106)

где dQ – лучистый поток, Вт, (Дж/с), испускаемый с элемента поверхности dF, м².

Если речь идет о собственном излучении тела, т.е.

Q = Q_собс., то валичина Е = Е_собс. называется лучеиспускательной способностью тела.

Лучистый поток по всей поверхности можно выразить как

, Вт. (107)

Здесь F –полная поверхность тела, м².

Если плотность интегрального полусферического излучения для всех точек поверхности излучающего тела постоянна, то зависимость (107) переходит в соотношение

, Вт. (108)

Отношение плотности лучистого потока, испускаемого в бесконечном малом интервале длин волн к величине этого интервала длин волн, носит название спектральной интенсивности излучения:

, Вт/м³. (109)

В этом случае имеет место излучение энергии одного цвета с единицы поверхности по всем направлениям полусферического пространства. Интенсивность излучения изменяется с длиной волны. Кроме того, оно может изменяться по отдельным направлениям излучения.

Излучение, которое определяется природой данного тела и его температурой, называется собственным излучением (Q, Е). Обычно тело участвует в теплообмене с другими телами. Энергия излучения других тел, попадая на данное тело, частично им поглощается, частично отражается, а часть ее проходит сквозь тело.

Обозначим Q_о общее количество лучистой энергии, падающей на тело в единицу времени, через Q_А, Q_R, Q_D - соответственно количество лучистой энергии поглощенной, отраженной и пропущенной сквозь тело. Тогда можно написать уравнение баланса лучистой энергии: Qо = Q_А + Q_R + Q_D (рис. 27).

Рис. 27 – Баланс лучистой энергии

Если разделим равенство на падающий поток, то получим:

(110)

или

 

где - поглощательная способность тела; - отражательная способность тела;

- пропускательная способность тела.

Тело, полностью поглощающее падающую на него лучистую энергию, называется абсолютно черным (А = 1; R = D = 0).

Тело, полностью отражающее падающую на него лучистую энергию, называется зеркальным или абсолютно белым (R = 1; А = D = 0).

Тело, полностью пропускающее падающую на него лучистую энергию, называется абсолютно прозрачным или диатермичным (D = 1; R = А = 0).

Реальные тела в природе нельзя отнести ни к одной из указанных категорий, т.к. для реальных тел А < 1, R < 1, D < 1 и они носят название серых тел.

Существуют тела, которые по своим свойствам близко подходят к свойствам абсолютно черных, абсолютно белых и абсолютно прозрачных тел. Близко подходит к свойствам абсолютно черного тела сажа, бархат, иней (А = 0,97). Снег по отношению к тепловому излучению не слишком нагретых тел является почти абсолютно черным телом (А = 0,985). близкими по свойствам к абсолютно белым телам – полированные металлы (R = 0,95÷0,97). Близкими к свойствам диатермичного тела относятся одноатомные и двухатомные газы (D ≈ 1). Имеется много тел, которые прозрачны для лучей определенной длины волны, но непрозрачны для лучей другой длины волны. Например, оконное стекло прозрачно для световых лучей, а для ультрафиолетовых и тепловых лучей оно почти не прозрачно. Белая поверхность хорошо отражает только видимые (солнечные) лучи, что и дает восприятие белого цвета. Невидимые тепловые лучи белой поверхностью поглощаются интенсивно.

Если между данным телом и окружающими телами происходит лучистый теплообмен, то поверхность тела испускает не только собственное излучение, но и часть падающего излучения. Результирующее излучение q_w представляет собой разность между лучистым потоком, получаемым данным телом Е_пад, и эффективным лучистым потоком Е_эф, который она посылает в окружающее пространство (рис. 28)

Рис. 28 – Распределение тепловых потоков

. (111)

Сумма собственного излучения и отраженного лучистого потока называется эффективным излучением

Е_эф = Е_собс – Е_отр = Е_собс – r ^. Е_пад.

Величину q_w можно получить и из другого соотношения:

.

(112)

Для расчетов лучистого теплообмена необходимо найти связь между тремя видами лучистых потоков на поверхность тела: эффективным, результирующим и собственным излучениями. Эта связь легко устанавливается на основе приведенных выше определений лучистых потоков. Из формулы (111) получаем

, (а)

из формулы (112) следует

. (б)

Подставляя выражение (б) в (а) находим связь Е_эф, q_w и Е_собс

. (113)

Результирующий тепловой поток может быть положительным, отрицательным и равным нулю.