Тема 13. Конвективный тепло- и массообмен в бинарных смесях

Содержание темы.

Основные положения. Диффузия. Плотность диффузионного потока массы. Закон Фика. Коэффициент диффузии. Конвективный массообмен как сово-купность молярного и молекулярного переноса вещества. Массоотдача. Плот-ность потока массы. Диффузионный пограничный слой. Система дифферен-циальных уравнений диффузионного пограничного слоя. Общая форма упрощен-ных уравнений диффузионного пограничного слоя. Граничные условия на поверхности раздела фаз. Расчет массоотдачи на основе аналогии с теплоотдачей.

Литература: [1,гл.14]

Методические указания.

При изучении темы отметьте формальную аналогию процессов теплопроводности, вязкости и концентрационной диффузии: подобие законов Фурье, Ньютона и Фика, соответственно уравнений энергии, движения и массообмена, подобие полей температуры, скорости и концентрации в пограничном слое, подобие явлений теплоотдачи, трения и массоотдачи.

Вопросы для самопроверки.

13.1. Одинаковы ли единицы, используемые для местной концентрации вещества и для плотности вещества? (Да, нет).

13.2. Одинаковы ли единицы коэффициента молекулярной диффузии и кинематического коэффициента вязкости? (Да, нет).

13.3. Одинаковы ли единицы коэффициента молекулярной диффузии D для градиента концентраций и коэффициента молекулярной диффузии Dp для градиента парциальных давлений? (Да, нет).

13.4. Одинаковы ли единицы коэффициента термодиффузии Dт и термодиффузионного отношения Kт? (Да, нет).

13.5. Одинаковы ли единицы коэффициента теплоотдачи ά и коэффициента массоотдачи β? (Да, нет).

13.6. Содержится ли коэффициент теплоотдачи α в диффузионном числе Нуссельта? (Да, нет).

13.7. Содержится ли коэффициент теплопроводности в диффузионном числе Нуссельта? (Да, нет).

13.8. Всегда ли плотность потока массы (кгс/с*м2) в макроскопически неподвижной бинарной смеси определяется только законом Фика? (Да, нет).

13.9. Могут ли совпадать по направлению градиенты концентрации пара в парогазовой смеси над жидкостью в процессе испарения и в процессе конденсации? (Да, нет).

13.10. Всегда ли совпадают по направлению градиент температуры и градиент концентрации пара в парогазовой смеси над жидкостью? (Да, нет).

13.11. Может ли процесс испарения в парогазовую смесь усилить теплообмен между жидкостью и парогазовой смесью? (Да, нет).

13.12. Может ли процесс испарения в парогазовую смесь увеличить коэффициент конвективной теплоотдачи над поверхностью жидкости? (Да, нет).

 

Тема 14. Основные законы теплового излучения

Содержание темы.

Природа теплового излучения. Спектр излучения. Лучистый поток. Плотность лучистого потока. Интенсивность излучения. Поглощающая, отражающая и пропускная способность тел. Излучение монохроматическое и интегральное. Закон Кирхгофа для монохроматического и интегрального излучения.

Классификация лучистых потоков: собственное излучение, отраженное, эффективное и результативное излучение, падающее и поглощенное излучения; их взаимная связь.

Распределение энергии в спектре черного тела: закон Планка, закон Вина. Коэффициент черноты излучения. Серое тело. Закон Стефана-Больцмана, закон Ламберта.

Литература: [1,гл.16]

Методические указания.

Нужно различить излучение равновесное и неравновесное.

Равновесное излучение описывается законом Планка или законом Релея – Джинса и Вина (частные случаи). Закон Стефана-Больцмана и закон смещения Вина вытекают из закона Планка, первый – при его интегрировании, второй – при диффенцировании.

Излучение реальных тел следует рассматривать как приближенное к равновесному, описываемое формулами Планка, Вина и Стефана-Больцмана, которые отличаются от соответствующих одноименных законов черного излучения только опытными коэффициентами, называемыми спектральной степенью черноты или степенью черноты (интегральной), причем для серых тел спектральные степени черноты одинаковые при всех длинах волны и равны интегральной степени черноты.

Вопросы для самопроверки.

14.1. Может ли тело поглощать больше лучистой энергии, чем излучать? (Да, нет).

14.2. Может ли отраженный лучистый поток быть больше падающего лучистого потока? (Да, нет).

14.3. Одинаковы ли единицы, используемые для поверхностной плотности потока интегрального излучения и для спектральной плотности потока излучения? (Да, нет).

14.4. Всегда ли тело, температура которого выше температуры окружающей среды, излучает энергии больше, чем поглощает? (Да, нет).

14.5. Может ли возрастать спектральная плотность потока излучения при увеличении длины волны излучения? (Да, нет).

14.6. Может ли убывать спектральная плотность потока излучения при увеличении длины волны излучения? (Да, нет).

14.7. Может ли собственное излучение тела быть меньше отраженного этим телом излучения? (Да, нет).

14.8. Может ли собственное излучение тела быть больше поглощенного этим талом излучения? (Да, нет).

14.9. Может ли собственное излучение тела быть больше эффективного излучения этого тела? (Да, нет).

14.10. Может ли собственное излучение тела быть больше потока результирующего излучения, направленного от тела? (Да, нет).

14.11. Может ли в условиях равновесного излучения степень черноты тела отличаться по величине от поглощаемой способности этого тела? (Да, нет).

14.12. Всегда ли степень черноты тела и его поглощательная способность одинаковы? (Да, нет).

Тема 15. Теплообмен излучения между непрозрачными телами, разделенными прозрачной средой

Содержание темы.

Интегральные уравнения излучения. Угловые коэффициенты излучения: элементарный, локальный, средний. Определение угловых коэффициентов для некоторых характерных случаев взаимного расположения и формы тел. Зональный метод расчета теплообмена излучением.

Расчет теплообмена излучением между телами с плоскопараллельными поверхностями и экраном между ними; телами, из которых одно находится в плоскости другого. Особенности теплообмена излучением в замкнутой системе, состоящей из несерых тел.

Литература: [1,гл.17]

Методические указания.

Надо уметь определять приведенную поглощательную способность при теплообмене между двумя телами простейшей конфигурации. Запомните связь между приведенной поглощательной способностью и приведенным коэффициентом излучения.

Вопросы для самопроверки.

15.1. Существует ли эффективный лучистый поток в зазоре между двумя параллельными стенками, если поверхности стенок имеют одинаковую температуру? (Да, нет).

15.2. Может ли серое тело излучать больше энергии, чем черное тело таких же размеров и в такой же окружающей среде, если температуры серого и черного тел одинаковы? (Да, нет).

15.3. Может ли серое тело поглощать больше энергии, чем черное тело таких же размеров и в такой же окружающей среде, если температуры серого и черного тел одинаковы? (Да, нет).

15.4. Может ли серое тело поглощать больше энергии, чем черное тело, если размеры и температуры серого и черного тел одинаковы, а температура окружающих тел различна? (Да, нет).

15.5. Зависит ли поток лучистой энергии, поглощенной телом, от изменения температуры окружающей среды, если поглощательная способность тела постоянна? (Да, нет).

15.6. Можно ли определить результирующий поток излучения как разность собственного и падающего излучения? (Да, нет).

15.7. Влияет ли на эффективный лучистый поток от данной поверхности расположение и форма приемника этого излучения? (Да, нет).

15.8. Необходимо ли знание закона Стефана-Больцмана для вычисления потока результирующего излучения? (Да, нет).

15.9. Достаточно ли знание величин, которые используются в законе Стефана-Больцмана, для вычисления потока результирующего излучения? (Да, нет).

15.10. Влияет ли форма и расположение внешних источников излучения на вид расчетной формулы для приведенной поглощательной способности? (Да, нет).

15.11. Влияет ли температура внешних источников излучения на способ расчета приведенной поглощательной способности? (Да, нет).

15.12. Может ли приведенная поглощательная способность быть выше поглощательной способности тела? (Да, нет).

Тема 16. Теплообмен излучением в поглощающих средах.

Сложный теплообмен

Содержание темы.

Поглощение, рассеивание и излучение энергии в газовых смесях. Коэффициент поглощения: объемная интенсивность собственного излучения среды. Закон Бугера. Излучение и поглощение различных сред; спектры поглощения многоатомных газов, коэффициенты черноты, излучения углекислоты, водяного пара, их смеси, сажистых и запыленных газовых сред. Средняя оптическая длина пути лучей и способы ее определения. Расчет лучистого теплообмена между излучающей средой и поверхностью твердого тела. Коэффициент лучистого теплообмена. Сложный теплообмен как совокупность одновременно протекающих процессов теплопроводности, конвекции и излучения.

Литература: [1,гл.18]

Методические указания.

Перед изучением темы полезно повторить подраздел «Объемное излучение» в [1]. Усвойте новые понятия – коэффициент поглощения среды, поглощательная способность среды, коэффициент ослабления среды, оптическая толщина среды – и их взаимосвязь.

Вопросы для самопроверки.

16.1. Верно ли, что αλ – спектральный коэффициент поглощения среды выражают в метрах в минус первой степени ()? (Да, нет).

16.2. Может ли поглощательная способность среды принимать значения больше единицы? (Да, нет).

16.3. Верно ли, что оптическую толщину среды L выражают в единицах длины? (Да, нет).

16.4. Верно ли, что по закону Бугера интенсивность излучения, прошедшего сквозь поглощающую среду, тем слабее, чем больше оптическая толщина среды? (Да, нет).

16.5. Верно ли, что излучающая способность одно- и двухатомных газов выше, чем у многоатомных газов? (Да, нет).

16.6. Верно ли, что поглощающая способность одно- и двухатомных газов выше, чем у многоатомных газов? (Да, нет).

16.7. Увеличивается ли поглощательная способность газа по мере увеличения плотности газа при сохранении толщины слоя? (Да, нет).

16.8. Увеличивается ли поглощательная способность газа по мере увеличения давления газа при сохранении толщины слоя? (Да, нет).

16.9. Может ли степень черноты газа падать по мере увеличения температуры газа при постоянной величине произведения (pl)? (Да, нет).

16.10. Верно ли, что степень черноты углекислого газа толщиной 5 м при парциальном давлении Па и при температуре 1600 С больше, чем 0.1? (Да, нет).

16.11. Верно ли, что в случае радиационно-конвективного теплообмена радиационный перенос может быть больше, чем перенос теплоотдачей? (Да, нет).

16.12. Верно ли, что в случае радиационно-кондуктивного теплообмена через оптически тонкий слой плотность радиационного потока тем больше, чем больше поглощательная способность стенок, ограничивающих слой? (Да, нет).