- •Содержание
- •Тема 1. Основные понятия теплообмена 7
- •Тема 2. Теплопроводность 14
- •Тема 7. Теплообмен при фазовых превращениях 64
- •Тема 8. Теплообмен излучением 81
- •Тема 9. Основы теории массообмеНа 102
- •Введение
- •Тема 1. Основные понятия теплообмена
- •1.1 Температурное поле. Изотермическая поверхность.
- •1.2. Градиент температуры
- •1.3. Количество теплоты. Тепловой поток.Удельные тепловые потоки
- •1.4.Элементарные способы передачи теплоты (виды процессов теплообмена)
- •1.5. Сложный теплообмен. Теплоотдача и теплопередача
- •Тема 2. Теплопроводность
- •2.1. Основной закон теории теплопроводности. Закон (гипотеза) Фурье.
- •2.2. Энергетическая форма записи закона Фурье. Коэффициент температуропроводности
- •2.3. Дифференциальное уравнение теплопроводности (дифференциальное уравнение Фурье)
- •2.4. Условия однозначности, необходимые для решения уравнения Фурье
- •2.5. Начальные условия (ну)
- •2.6. Граничные условия (гу)
- •2.7. Методы решения краевой задачи в теории теплопроводности
- •Тема 3. Нестационарная теплопроводность в телах простейшей формы
- •3.1. Математическая формулировка задачи
- •Тема 4. Стационарная теплопроводность
- •4.1 Стационарная теплопроводность в плоской и цилиндрической стенках
- •Тема 5. Теплопередача
- •5.1. Теплопередача через плоскую стенку
- •5.2. Теплопередача через цилиндрическую стенку
- •5.3. Алгоритм расчета теплопередачи через непроницаемые стенки
- •5.4. Единая формула теплопередачи через стенки классической формы
- •5.5. Интенсификация теплопередачи
- •5.6.Тепловая изоляция
- •Тема 6. Конвективный теплообмен в однофазных средах
- •6.1. Основные понятия и определения
- •6.2. Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена
- •6.3. Основные положения теории подобия
- •6.4. Основные критериальные уравнения
- •6.4.1. Конвективная теплоотдача при свободном движении текучей среды
- •6.4.2. Конвективная теплоотдача при вынужденном движении текучей среды в трубах и каналах
- •6.4.3. Конвективная теплоотдача при вынужденном внешнем обтекании тел
- •6.5. Алгоритм расчета коэффициента теплоотдачипо критериальным уравнениям
- •Тема 7. Теплообмен при фазовых превращениях
- •7.1. Теплоотдача при конденсации паров
- •7.2. Теплоотдача при кипении жидкостей
- •Тема 8. Теплообмен излучением
- •8.1. Основные понятия и определения
- •8.2. Тепловое излучение твердых тел
- •8.3. Основные законы излучения абсолютно черного тела (ачт)
- •8.4. Излучение реальных тел. Закон Кирхгофа.
- •8.4. Особенности излучения газов
- •8.5. Расчет результирующего лучистого потока тепла между телами. Экраны
- •Тема 9. Основы теории массообмеНа
- •9.1. Диффузионный пограничный слой
- •9.2. Массопроводность, массоотдача, массопередача
- •9.3 Критериальные уравнения массоотдачи
- •10. Теплообменные аппараты
- •10.1 Общие сведения о теплообменных аппаратах
- •10.1.1. Рекуперативные теплообменники
- •10.1.2. Регенеративные теплообменные аппараты
- •10.1.3. Аппараты смешивающего типа
- •10.2 Расчет теплообменных аппаратов
- •10.2.1. Уравнение теплового баланса. Уравнение баланса массы.
- •10.2.2 Средний температурный напор.
- •10.2.3 Уравнение теплопередачи.
- •10.2.4 Проверочный расчет теплообменного аппарата. Сравнение прямотока с противотоком.
- •10.2.5 Гидравлический расчет аппаратов.
- •10.2.6 Тепловой расчет регенеративных теплообменников
- •10.3 Методики расчет теплообменных аппаратов
- •10.3.1. Математическая модель рекуперативного теплообменного аппарата и алгоритм его поверочного расчета по методу n-e.
- •10.3.2. Основные закономерности процесса испарительного охлаждения воды в градирнях
- •10.3.3. Деаэрация воды
- •Основы процесса
- •Кинетика процесса деаэрации воды
- •Конструктивные особенности термических деаэраторов
- •Список основных обозначений
- •- Число Стантона. Литература
8.4. Особенности излучения газов
Одно- и двухатомные газы теоретически прозрачны для теплового излучения. Поэтому, в частности, сухой и чистый воздух, состоящий, в основном, из двухатомных молекул азота и кислорода, также практически прозрачен для теплового излучения. Трехатомные и многоатомные газы этим свойством не обладают и поэтому их присутствие в газовой смеси делает ее полупрозрачной. Находясь при высокой температуре, такая среда может излучать значительное количество энергии, что и наблюдается в печах для нагрева заготовок, в топках котельных агрегатов, в проточной части газотурбинных двигателей (в камере сгорания, в межлопаточном пространстве турбины и сопле) и др. При этом учету подлежит наличие в продуктах сгорания углеводородного топлива углекислоты CO2 и водяного пара H2O, так как содержание SO2 и SO3 обычно бывает пренебрежимо малым.
Излучение чистых газов отличается от излучения твердых тел. Во-первых, поглощение и излучение лучистой энергии газами всегда имеет резко выраженный селективный (выборочный) характер: например, спектр поглощения углекислоты и водяного пара состоит из нескольких полос, в пределах которых эти газы испускают (и поглощают) электромагнитную энергию (рис. 8.7).
Второе отличие излучения газов от излучения твердых тел заключается в том, что у газов оно имеет объемный характер (у твердых тел излучение электромагнитной энергии осуществляется с поверхности), так как нужна чрезвычайно большая толщина газового слоя, чтобы излучаемая глубинными элементами энергия была бы всецело поглощена самим газом и совершенно не проникла бы в окружающую среду.
Законы излучения и поглощения газами имеют ряд существенных отличий от законов излучения и поглощения твердыми телами и жидкостями. Причина заключается в том, что газы излучают и поглощают энергию свободными или почти свободными атомами и молекулами, а жидкости и твердые тела - большим количеством сильно связанных между собой атомов.
Первая особенность, которую надо учитывать в теплофизических расчетах, заключается в том, что спектры излучения и поглощения газов имеют селективный (избирательный) характер, т.е. газы излучают и поглощают энергию лишь в определенных интервалах длин волн, которые называются полосами излучения и поглощения. Одноатомные и двухатомные газы почти полностью пропускают тепловое излучение, поэтому поглощение в них обычно не учитывают. Полосы излучения и поглощения трехатомных и многоатомных газов известны и приводятся в справочниках. Например, углекислый газ имеет три основные полосы: от 2.36 до 3.02 мкм, от 4.01 до 4.8 мкм и от 12.5 до 16.5 мкм; водяной пар имеет полосы поглощения от 2.24 до 3.27 мкм, от 4.8 до 8.5 мкм и от 12 до 25 мкм.
Вторая особенность заключается в том, что, в отличие от твердых тел, излучение и поглощение энергии в газах происходит не в поверхностном слое их оболочек, а во всем объеме; при этом по мере прохождения излучения от внутренних областей к внешним часть энергии поглощается, из-за чего плотность мощности теплового излучения газа, строго говоря, оказывается пропорциональной не четвертой, а более низкой степени абсолютной температуры. Например, для углекислого газа эта степень 3.5; для водяного пара 3. Однако для практических расчетов часто по-прежнему используют формулы вида (8.25), (8.33), вводя в них эмпирические поправочные коэффициенты.
Эти особенности серьезно затрудняют расчеты теплообмена с участием газов и делают их весьма приближенными. Для повышения точности надо использовать эмпирические формулы, справедливые при определенных условиях, и специальные графики, приводимые в справочной литературе.
Таблица. Усредненные значения коэффициентов поглощения (степени черноты) некоторых материалов.
Материал |
Коэф. поглощения A |
Платиновая чернь |
0.99 |
Нефтяная сажа при 100 ... 200 оС |
0.96 |
Вода при 0 ... 100 оС |
0.95 |
Стекло при 20 ... 100 оС |
0.91 |
Бумага при 20 ... 100 оС |
0.90 |
Красный кирпич при 25 ... 300 оС |
0.90 |
Масляные краски разных цветов при 20 ... 100 оС |
0.86 |
Дерево при 20 ... 70 оС |
0.85 |
Песок сухой при 20 оС |
0.46 |
Полированная нержавеющая сталь при 100 оС |
0.074 |
Полированный алюминий при 100 оС |
0.031 |
Полированное золото при 20 оС |
0.025 |
Полированная медь при 100 оС |
0.020 |
Полированное серебро при 20 оС |
0.015 |
Для того чтобы рассчитать результирующий лучистый поток тепла от газового тела к поверхности охватывающего его твердого тела, необходимо знать не только степень черноты поверхности W, но и степень черноты смеси газов г.
Рис. 8.7
В настоящее время г рекомендуют определять по формуле
, (8.37)
где и – степень черноты компонентов газовой смеси – излучателей электромагнитной энергии; – поправка на величину парциального давления паров воды в газовой смеси; – поправка на взаимное перекрывание спектров излучения CO2 и H2O. Все величины, входящие в правую часть формулы (3.14), установлены экспериментально.
Степень черноты каждого излучающего компонента зависит от количества его молекул в газовой смеси и от ее температуры Tг. Количество молекул–излучателей электромагнитной энергии, естественно, пропорционально парциальному давлению и в газовой смеси, а также так называемой толщине газового слоя l, определяемой по формуле
где V – объем газового тела; F – площадь охватывающей его поверхности твердого тела. Таким образом, искомые степени черноты излучающих компонентов представляют в виде зависимостей
(8.38)
(8.39)
Число аргументов для и в правой части зависимостей (8.38) и (8.39) уменьшают на один, полагая
(8.40)
(8.41)
Именно в таком виде и представляются опытные данные для и . Опытные данные для приводятся в зависимости от для различных значений l, а величина для различных температур газа представляется функцией от /( + ) для разных значений давления газовой смеси.
Для расчета результирующего лучистого теплового потока от чистого газа к поверхности твердого тела с термодинамической температурой TW и степенью черноты поверхности W для технических приложений приемлемо использовать формулу
. (8.42)
При проведении тепловых расчетов принято пользоваться также величиной коэффициента теплоотдачи излучения газов л, который вводится в рассмотрение формулой
(8.43)
так что величина л, естественно, вычисляется как
. (8.44)
Использование коэффициента теплоотдачи излучением л целесообразно при расчете лучисто–конвективного теплообмена движущегося у поверхности твердого тела высокотемпературного газа, когда приходится рассчитывать перенос тепла от газа конвекцией и излучением по формуле
(8.45)
где – суммарный коэффициент теплоотдачи, – коэффициент теплоотдачи механизмом конвекции.
В заключение отметим, что при наличии в газовой смеси сажевых частиц, золы, частиц горящего кокса тепловой расчет приходится вести с учетом того, что имеет место излучение электромагнитной энергии уже не чистым газом, а пламенем с учетом всей сложности этого явления.