Теплообмен излучением

Когда температура стенок и газа различаются не очень значительно, необходим также учет собственного излучения стенок, которое частично поглощается в объеме газа. Для этого нужно рассчитать коэффициент поглощения объема A

для газа

для газа

Результирующий поток излучения на стенках оболочки

Коэффициент теплоотдачи излучением

где

Часть 3. Конвективный теплообмен Естественная тепловая конвекция Общие сведения о естественной (свободной) конвекции

У нагретых или холодных свободно расположенных твердых (не загроможденных) поверхностей возникают конвективные токи газообразной или капельной жидкости, которые определяют интенсивность теплообмена между поверхностями и жидкостью. Такой процесс называется конвекцией. Если относительное движение жидкости (газа) и выделенной поверхности теплообмена вызвано какими-либо внешними побудителями (насосом, ветром и др.), конвекцию называют вынужденной. Если же движение текучей среды возникает под действием неоднородного поля массовых сил (например, гравитационных), то такой процесс называют свободной или естественной конвекцией.

различают также внутренние задачи (теплообмен между стенками канала и потоком теплоносителя в нем) и задачи при внешнем обтекании тел.

Для характеристики интенсивности конвективного теплообмена используются местный и средний коэффициенты теплоотдачи.

Физические свойства жидкости

Коэффициент теплопроводности. Характеризует способность вещества проводить теплоту. Его значение определяет количество теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу поверхности при изменении температуры на один градус на единицу длины пути потока теплоты:

, Вт/м∙К

Плотность ρ есть масса единицы объема (кг/м³)

Теплоемкость с_p есть количество теплоты необходимое для нагревания 1 кг вещества на один градус, кДж/кг.

Коэффициент температуропроводности представляет собой комплекс вышеперечисленных величин:

, м²/ч

Коэффициент кинематической вязкости (последняя обусловлена силами внутреннего трения) равен:

, м²/с,

где коэффициент динамической вязкости μ

, Па∙с.

Природа естественной конвекции

Как правило, жидкие и газообразные теплоносители нагреваются или охлаждаются при соприкосновении с поверхностями твердых тел. например дымовые газы в печах отдают теплоту нагреваемым заготовкам, а в паровых котлах - трубам, в которых нагревается (кипит) вода, воздух в комнате нагревается от отопительных систем и т.д. Во всех перечисленных примерах процесс теплообмена между поверхностью тела и жидкостью называется теплоотдачей, а сама поверхность, с которой переносится теплота, - поверхностью теплообмена или теплоотдающей поверхностью. Согласно закону Ньютона-Рихмана тепловой поток в процессе теплоотдачи пропорционален площади поверхности теплообмена F и разности температур гдеt - температура стенки, твердого тела, омываемого жидкостью, : - температура жидкости. закон Ньютона-Рихмана имеет вид:

,

где коэффициент пропорциональности α называется коэффициентом теплоотдачи. Численное значение его равно тепловому потоку от единичной поверхности теплообмена при разности температур поверхности и жидкости в 1 К (Вт/м²К).

Теплоотдачу обычно оценивают экспериментально, измеряя поток и разность температур в процессе теплоотдачи от поверхности с известной площадью. Затем по последней формуле рассчитывается коэффициент теплоотдачи.

Для малого участка поверхности dF последнее соотношение запишется в виде:

,

поскольку в коэффициент теплоотдачи различен в различных точках поверхности тела.

Для расчета потока теплоты от всей поверхности нужно проинтегрировать обе части последнего уравнения по поверхности:

.

При условии t=const запишем:

.

Средний по поверхности коэффициент теплоотдачи находится из соотношения

;

Естественная конвекция возникает за счет теплового расширения жидкости, нагретой около теплоотдающей поверхности, в самом процессе теплообмена. Она пропорциональна разности температур .

При этом, температурный коэффициент объемного расширения жидкости запишется

.

Для идеальных газов β в соответствии с уравнением Менделеева-Клапейрона равен

.

Для жидкости

.

где ρ и t - плотность и температура окружающей среды (атмосферного воздуха).

Разность плотностей приводит к тому, что, на любой единичный объем нагретой жидкости будет действовать подъемная сила, равная алгебраической сумме выталкивающей архимедовой силе и силы тяжести

.

Подъемная сила перемещает нагретую жидкость вверх без каких-либо побуждающих устройств (возникает естественная конвекция). Подобные рассуждения справедливы и для случая охлажденной жидкости, с той лишь разницей, что жидкость у менее нагретой поверхности будет двигаться вниз, поскольку ее плотность больше, чем вдали от поверхности.

По причине вязкого трения течение жидкости затормаживается, поэтому, несмотря на то, что наибольшее нагревание жидкости и подъемная сила при естественной конвекции имеют место у теплоотдающей поверхности, скорость движения частиц, контактирующих с твердой поверхностью, равна нулю.