22. Свободное движение. Механизм процесса термической гравитационной конвекции. Структура обобщенного уравнения для расчета интенсивности теплообмена в неограниченном пространстве. Ответ:

Теплоотдача при свободной конвекции в замкнутом неограниченном пространстве.

В замкнутом пространстве все процессы нагрева и охлаждения стенок происходит в относительной близости друг от друга.

Разделить эти зоны практически невозможно вследствие ограниченности пространства и наличия восходящих и нисходящих потоков, причем эти потоки сильно зависят от рода жидкости и температурного напора. При этом в вертикальных каналах и щелях в зависимости от их толщины, циркуляция жидкости может происходить двояко.

Если величина δ довольно большая, то восходящие и нисходящие потоки не мешают друг другу и имеют такой же характер как и на отдельных вертикальных пластинах.

Если δ мала, то в канале могут возникать циркуляционные контуры.

В горизонтальных каналах процесс определяется взаимным расположением нагретых и холодных поверхностей. При этом в горизонтальных каналах характер движения более сложный.

23. Теплообмен при свободном движении жидкости в ограниченном пространстве.

24. Теплоотдача при конденсации. Основные физические представления.

Виды конденсации. Ламинарное и турбулентное течение пленки конденсата. Структура

обобщенного уравнения для теплоотдачи.

ОТВЕТ:

Теплообмен при конденсации пара.

Конденсацией называется процесс перехода из газообразного состояния в жидкое или твердое. При этом пар начинает конденсироваться на твердой поверхности, если температура ее меньше так называемой температуры насыщения при данном давлении. Различают пленочную и капельную конденсацию.

Пленочная конденсация – это процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое с образованием на поверхности тела сплошной пленки конденсата.

Капельная конденсация – когда на поверхности тела образуются отдельные капли.

Вид конденсации зависит от типа поверхности, которая может быть смачиваемой и не смачиваемой.

При пленочной конденсации пар отделен от стенки слоем конденсата, который создает сопротивление тепловому потоку.

При капельной конденсации возможен непосредственный контакт с поверхностью, при этом теплообмен в несколько раз эффективнее, чем при пленочной конденсации. Однако капельная конденсация является неустойчивым процессом.

(Конденсация в объеме пара при его переохлаждении относительно температуры насыщения, а также при введении в пар холодной жидкости или твердых частиц, которые являются центрами конденсации.)

25. Пленочная конденсация неподвижного пара на вертикальной стенке при ламинарном течении пленки конденсата. Решение Нуссельта (постановка задачи, допущения).

26. Теплоотдача при кипении. Режимы кипения. Физическая модель процесса развитого кипения. Минимальный (критический) радиус пузырька. Ответ:

Теплообмен при кипении.

Поскольку большинство процессов перевода тепловой энергии в электрическую происходит путем превращения жидкости в пар, одним из важнейших процессов является теплообмен при кипении.

Кипениемназывается процесс парообразования внутри объема жидкости или на поверхности нагрева. Следовательно, процесс кипения можно инициировать путем нагрева поверхности или тепловыделения в объеме жидкости.

Наибольший для практики интерес представляет кипение на поверхности. Для возникновения парового пузыря необходим некоторый перегрев жидкости относительно температуры насыщения, при этом величина этого перегрева зависит от свойств жидкости и наличия центров парообразования, в качестве которых выступает шероховатость. В зависимости от мощности подводимого теплового потока, на поверхности могут образовываться либо отдельные паровые пузырьки, либо сплошная пленка пара. В зависимости от этого кипение называется пузырьковым, либо пленочным.

При пузырьковом режиме кипения жидкость непосредственно контактирует с поверхностью между центрами парообразования.

При пленочном кипении жидкость отделена от поверхности сплошной пленкой пара.

При этом поскольку теплопроводность пара намного меньше, чем у жидкости, тепловой поток резко уменьшается, поэтому переход от пузырькового режима к пленочному сопровождается резким увеличением температуры поверхности. Переход от пузырькового режима к пленочному называется кризисом теплоотдачи.

Пузырьковое кипение.

Пузырек имеет сферическую форму, если температура жидкости в которой он растет выше чем температура насыщения. Если пузырек пара растет в недогретой жидкости, чаще всего он имеет полусферическую форму, при этом на его нижней поверхности идет испарение, на верхней границе идет конденсация, при этом скорость роста пузырька зависит от соотношения этих процессов.

При увеличении теплового потока до значения q_критичнаступает момент, когда пузырьки полностью отделяют жидкость от нагреваемой стенки, этот момент называется кризисом кипения.

27. Теплоотдача при кипении в большом объеме. Зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока. Кривые кипения. Явление кризиса и его физическая природа.

28. Теплоотдача при развитом пузырьковом кипении жидкости в большом объеме.

Структура обобщенного уравнения.

29*. Основные законы теплового излучения. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Спектральное распределение энергии по Планку. Закон смещения Вина. Теплообмен излучением между параллельными пластинами, разделенными прозрачной средой. Роль экранов.

ОТВЕТ:

Общие сведения о тепловом излучении

Лучистая энергия возникает за счет энергии других видов в результате сложных молекулярных и внутриатомных процессов. Природа всех лучей одинакова. Они представляют собой распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны. Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела. Количество лучистой энергии в основном зависит от физических свойств и температуры излучающего тела. Электромагнитные волны различаются между собой длиной волны. В зависимости от длины волнылучи обладают различными свойствами. Наименьшей длиной волны обладают космические лучи= (0,1 – 10)^оА (где^оА — ангстрем, единица длины, 1^оА = 10^-10м). Гамма-лучи, испускаемые радиоактивными веществами, имеют длину волны до 10^оА ; лучи Рентгена –= (10-200) ^оА; ультрафиолетовые лучи – л = (200^оА - 0,4мк (мк —микрон, 1мк —0,001мм), световые лучи –= (0,4-0,8)мк, инфракрасные или тепловые лучи –= (0,8 – 400)мк, радио или электромагнитные лучи -> 400мк.Из всех лучей наибольший интерес для теплопередачи представляют тепловые лучи с= (0,8 – 40)мк. Лучеиспускание свойственно всем телам, и каждое из них излучает и поглощает энергию непрерывно, если температура его не равна 0°К. При одинаковых или различных температурах между телами, расположенными как угодно в пространстве, существует непрерывный лучистый теплообмен. При температурном равновесии тел количество отдаваемой лучистой энергии будет равно количеству поглощаемой лучистой энергии. Спектр излучения большинства твердых и жидких тел непрерывен. Эти тела испускают лучи всех длин волн от малых до больших. Спектр излучения газов имеет линейчатый характер. Газы испускают лучи не всех длин волн. Такое излучение называетсяселективным(избирательным). Излучение газов носит объемный характер. Суммарное излучение с поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства и по всем длинам волн спектра называетсяинтегральнымилиполнымлучистым потоком(Q). Интегральный лучистый поток, излучаемый единицей поверхности по всем направлениям,называется излучательной способностьютела и обозначается

Е = dQ / dF , [вт/м²] (11.1)

где dQ -элементарный лучистый поток, испускаемый элементом поверхности dF. Каждое тело способно не только излучать, но и отражать, поглощать и пропускать через себя падающие лучи от другого тела. Если обозначить общее количество лучистой энергии, падающей на тело, через Q, то часть энергии, равная А, поглотится телом, часть, равная R, отразится, а часть, равная D, пройдет сквозь тело. Отсюда

Q = Q_A+ Q_R+ Q_D, (11.2)

или

A + R + D = 1. (11.3)

Величину А называют коэффициентом поглощения.Он представляет собой отношение поглощенной лучистой энергии ко всей лучистой энергии, падающей на тело. Величину R называюткоэффициентом отражения. R есть отношение отраженной лучистой энергии ко всей падающей. Величину D называюткоэффициентом проницаемости. D есть отношение прошедшей сквозь тело лучистой энергии ко всей лучистой энергии, падающей на тело. Для большинства твердых тел, практически не пропускающих сквозь себя лучистую энергию, А + R = 1. Если поверхность поглощает все падающие на нее лучи, т. е. А = 1, R = 0 и D = 0, то такую поверхность называютабсолютно черной.Если поверхность отражает полностью все падающие на нее лучи, то такую поверхность называютабсолютно белой.При этом R = 1, А = О, D = 0. Если телоабсолютно проницаемодля тепловых лучей, то D = 1, R = 0 и A = 0. В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует, тем не менее понятие о них является очень важным для сравнения с реальными поверхностями. Кварц для тепловых лучей непрозрачен, а для световых и ультрафиолетовых лучей прозрачен. Каменная соль прозрачна для тепловых лучей и непрозрачна для ультрафиолетовых лучей. Оконное стекло прозрачно для световых лучей, а для ультрафиолетовых и тепловых почти непрозрачно. Белая поверхность (ткань, краска) хорошо отражает лишь видимые лучи, а тепловые лучи поглощает также хорошо, как и темная. Таким образом, свойство тел поглощать или отражать тепловые лучи зависят в основном от состояния поверхности, а не от ее цвета. Если поверхность отражает лучи под тем же углом, под которым они падают на нее, то такую поверхность называютзеркальной.Если падающий луч при отражении расщепляется на множество лучей, идущих по всевозможным направлениям, то такое отражение называютдиффузным(например поверхность мела). При исследовании лучистых потоков большое значение имеет распределение лучистой энергии, испускаемой абсолютно черным телом по отдельным длинам волн спектра. Каждой длине волны лучей, при определенной температуре, соответствует определенная интенсивность излучения - I_s.Интенсивность излученияилиспекnральная(монохроматическая)интенсивность,представляет собой плотность лучистого потока тела для длин волн отдо+d, отнесенная к рассматриваемому интервалу длин волн d;

I_s= dE_s/ d, (11.4)

где I_s- спектральная интенсивность излучения абсолютно черного тела.