Основные законы теплового излучения и конвективного теплообмена
Контрольная работа - Физика
Другие контрольные работы по предмету Физика
Основные законы теплового излучения и конвективного теплообмена
Виды конвекции
тепловое излучение конвективный теплообмен
Различают вынужденную конвекцию и свободную, или естественную. Вынужденная конвекция обусловлена внешними причинами, например, действием вентилятора, насоса, компрессора и т.д. Свободная конвекция обусловлена самим процессом тепло- или массообмена, а именно силами, возникающими вследствие неоднородности поля плотности, что в свою очередь связано с неоднородностью поля температур (при теплообмене) или концентраций (при массообмене).
Конвективная теплоотдача играет важную роль при нагреве материалов в низкотемпературных печах, иногда и в высокотемпературных (например, в колпаковых печах для нагрева рулонов). Вынужденная конвекция основную роль играет, как правило, в рабочем пространстве (т.е. внутри) печей, свободная конвекция определяет теплоотдачу от внешних ограждений печей в окружающую среду.
Для описания процессов конвективной тепло- и массоотдачи используют формулу Ньютона (для теплоотдачи):
(1)
и соответствующее выражение для процесса массоотдачи
, (2)
где b - коэффициент массоотдачи, м/с, r - парциальная плотность.
Основная трудность при расчете процессов конвективной тепло- и массопередачи состоит в нахождении коэффициентов a и b, которые определяют с помощью эмпирических формул.
В большинстве случаев формулы записывают в безразмерном виде с использованием критериев:
Критерий Фурье
Критерий Пекле,
(где w - скорость движения среды, м/с; l - характерный геометрический размер: при движении в трубах - диаметр трубы, при обтекании тел - его размер ).
Критерий Прандтля ,
(где n - кинематический коэффициент вязкости).
Критерий Рейнольдса ,
Критерий грасгофа (в случае свободного движения) ,
(где b - коэффициент объемного расширения).
Критерий Нуссельта ,
(где l - характерный размер тела, омываемого конвективным потоком).
При конвективной теплоотдаче основной задачей является определение коэффициента теплоотдачи a. Поэтому опытные данные обычно обрабатывают в виде критериальных уравнений, а именно:
или
.
Вынужденная конвекция
Движение реальной жидкости может происходить в двух принципиально различных режимах - ламинарном (струйки газа перемещаются параллельно одна другой, не пересекаясь) и турбулентном (или вихреобразным).
Пределы существования ламинарного и турбулентного движения определяются критерием Рейнольдса.
Если критерий Рейнольдса меньше нижнего критического значения 2300,
то режим движения такого потока может быть только ламинарным.
Если 10 000, движение турбулентное.
Если 2300 < Re < 10000 - режим переходной.
Пучки труб в поперечном потоке.
Расположение труб в пучке бывает коридорным и шахматным.
При коридорном расположении труб
.
При шахматном расположении труб
.
Для газов .
В качестве масштаба скорости, входящего в критерий Re, принята среднерасходная скорость в самом узком сечении ряда, в качестве линейного масштаба принят наружный диаметр трубы.
Коэффициенты теплоотдачи для первого ряда (как для коридорных, так и для шахматных пучков) определяются по формуле
.
Для второго ряда:
Для коридорных пучков
.
Для шахматных пучков
.
Теплообмен при свободной конвекции
Свободная конвекция в неограниченном пространстве
Коэффициент теплоотдачи определяют по формуле
.
В качестве разности температур при определении критерия Грасгофа берут разность температур поверхности теплообмена и среды на большом удалении от нее: (tпов - tср). Все физические параметры выбирают при средней температуре tm = 0,5 (tпов + tср) либо при температуре жидкости или среды tср. В первом случае критерии помечают индексом m или f, во втором - индексом ж. От выбора определяющей температуры зависят значения С и n:
Теплообмен излучением
Тела могут поглощать, пропускать или отражать теплоту. В общем случае твердые тела поглощают лишь часть падающей на них тепловой энергии, часть энергии пропускают через себя и часть отражают. Если на тело падает тепловой поток Q, то имеем
Q = Qпогл + Qпроп + Qотр
Или (если разделить на Q)
A + D + R = 1,
Т.е. сумма поглощательной, пропускательной и отражательной способности равна единице.
Тело, поглощающее все падающее на него излучение, называется абсолютно черным телом, которое отражает все излучение - абсолютно белым. Абсолютно черных и белых тел в природе не существует, однако эти понятия играет чрезвычайно важную роль в теории теплового излучения.
Для реальных тел характерно частичное поглощение и частичное отражение тепловой лучистой энергии. В теории теплового излучения их называют серыми телами.
Основные законы излучения
Закон Планка. Интенсивность монохроматического (при определенной длине волны) излучения зависит от температуры и длины волны, т.е.
Il = f (T, l).
Закон Планка для интенсивности излучения абсолютно черного тела записывается в виде:
,
г