1.2 Конвективный теплообмен

Под конвективным теплообменом или, как его часто называют, теплопередачей понимают совместный процесс передачи тепла конвекцией и теплопроводностью, например теплообмен между потоком теплоносителя (жидкости или газа) и поверхностью стенки. Удельный тепловой поток q, Вт/м², передаваемый при конвективном теплообмене, определяется по формуле Ньютона

q=(t_ж(г) - _c ) , (1.6)

где  - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи; t_ж(г) и _с - соответственно температура теплоносителя (жидкости или газа) и температура поверхности стенки, ⁰С.

Величину, обратную коэффициенту (1/), называют термическим сопротивлением стенки при теплоотдаче соприкосновением и обозначают R_в. Формулу (1.6) можно использовать как при теплоотдаче от жидкости или газа стенке, так и при теплоотдаче от стенки жидкости или газу.

Коэффициент теплоотдачи  измеряется в Вт/(м^2оС) и представляет собой количество теплоты, проходящей в единицу времени от жидкости (газа) к стенке (или наоборот) через 1м² поверхности при разности температур жидкости (газа) и стенки 1^oС. Коэффициент теплоотдачи очень сложная величина, зависящая от множества факторов. В большинстве случаев его определяют экспериментально.

1.3 Теплообмен излучением

Лучистый теплообмен представляет собой процесс взаимного излучения двух или нескольких тел, имеющих различную температуру. Таким образом, этот вид теплообмена связан с двойным взаимным превращением энергии: тепловой в лучистую и лучистой в тепловую; интенсивность его увеличивается по мере повышения температуры тела, испускающего лучи. При высоких температурах теплообмен излучением преобладает над остальными видами теплообмена.

Лучистая энергия испускаемая на какое-либо тело, в зависимости от его физических свойств, формы и состояния поверхности частично поглощается этим телом и переходит в тепловую (а иногда и в другие формы энергии), а остальная часть отражается и частично проходит через него.

Обозначим через Q_o общее количество лучистой энергии, поступающей на тело, а через Q_A,, Q_R, Q_D - соответственно количество лучистой энергии, поглощенной, отраженной и прошедшей через него: Q_o=Q_A+Q_R+Q_D (рисунок 1.4). Разделив обе части этого равенства на Q_o, получим

1=A+R+D, (1.7)

где A,R,D - соответственно поглощательная, отражательная и пропускная способность тела.

Величины A,R и D являются безразмерными коэффициентами поглощения, отражения и пропускания. В зависимости от физических свойств тела и условий протекания процесса коэффициенты A,R и D могут быть различными, а в частных случаях равными нулю.

Рисунок 1.4

Если A=1, то тело полностью поглощает все падающие на него тепловые лучи и называется абсолютно черным. В природе нет абсолютно черных тел. Близкими к абсолютно черному телу свойствами обладают нефтяная сажа (A=0.9-0.96), вода и лед (A=0.92-0.95), черное сукно (A=0.98).

Если R=1, то тело полностью отражает падающие на него тепловые лучи. Такое тело называется зеркальным (если отражение не рассеянное) либо абсолютно белым (если отражение рассеянное - диффузное). К числу тел, близких по свойствам к абсолютно белому телу, относится ряд металлов (золото, медь и др.). Для полированных металлов R=0.95-0.97. Белая оштукатуренная поверхность стены хорошо отражает солнечные (видимые) лучи, а невидимые тепловые лучи интенсивно ею поглощаются.

Если D=1, то тело пропускает через себя все падающие на него лучи. Такое тело называют абсолютно проницаемым (прозрачным), или диатермичным. Воздух - практически прозрачная среда. Многие тела прозрачны только для определенных волн. Так, оконное стекло пропускает световые лучи и почти непрозрачно для ультрафиолетового и длинноволнового инфракрасного излучения.

Связь излучательной способности абсолютно черного тела с температурой устанавливает закон Стефана-Больцмана. В технических расчетах этот закон используется в следующем виде:

E_o=C_o (T/100)⁴ , (1.8)

где E_o - излучательная способность абсолютно черного тела, Вт/м²; C_o - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5.68 Вт/(м^2оС)⁴.

Реальные тела, называемые обычно серыми, по интенсивности излучения отличаются от абсолютно черного тела. Если учесть степень их черноты (величина =E/E_o), то применительно к реальным телам закон Стефана-Больцмана приобретает следующий вид:

E=E_o=C_o(T/100)⁴=C(T/100)⁴, (1.9)

где C=C_o - коэффициент излучения.

Величина степени черноты  зависит главным образом от природы тела, температуры и состояния его поверхности (гладкая или шероховатая). Например, чистые стальные и чугунные поверхности при температуре 20 ^оС имеют =0.05-0.45, кирпич красный при той же температуре имеет =0.93, а оштукатуренная известковая поверхность при t=10-90^oC имеет =0.91.

Тела (поверхности), между которыми происходит теплообмен, могут располагаться различным образом (параллельные стенки, цилиндр в цилиндре со стенками различной формы, экранированные стенки). При произвольном расположении тел (поверхностей), между которыми происходит теплообмен излучением, пользуются расчетной формулой следующего вида

Q_1-2=C_пр[(T₁/100)⁴-(T₂/100)⁴] F₁ _{1- 2} . (1.10)

В данной формуле C_пр = С₁ С₂ / C_o - приведенный коэффициент излучения, а  - так называемый угловой коэффициент или коэффициент облучения (безразмерная величина, зависящая от взаимного расположения, формы и размеров поверхностей и показывающая долю лучистого потока, которая падает на поверхность F₂ от всего потока, отдаваемого поверхностью F₁ лучеиспусканием).

В строительной практике иногда возникает необходимость уменьшить интенсивность теплообмена излучением. Одним из эффективных средств уменьшения интенсивности теплообмена служат защитные экраны, выполненные из материалов с малой поглощательной и большой отражательной способностями. Экран с малым коэффициентом поглощения и хорошей отражательной способностью лучистой энергии может уменьшить тепловой поток в десятки раз.