8.4.10.6. Теплообмен при конденсации пара

Различают два вида конденсации: капельную и пленочную. Если жидкость смачивает поверхность, то наблюдается пленочная конденсация, если не смачивает - то капельная. В ТС в подавляющем числе случаев наблюдается пленочная конденсация. Теплота конденсации переходит к твердому телу. Температура его поверхности θ_S ниже, чем температура пара θ_П. Движение жидкости-пленки (см. рис. 8.29) при этом ламинарное. Поэтому перенос тепла через пленку происходит за счет теплопроводности.

Рис 8.29. Пленочная конденсация

Градиент температуры в пленке ввиду ее малой толщины можно принять постоянным, равным (θ_П - θ_S)/δ_х ,и по закону Фурье

где λ - коэффициент теплопроводности жидкости при θ₀ = 0,5 (θ_П + θ_S);

δ_х - толщина пленки.

По закону Ньютона – Рихмана q = α (θ_П - θ_S),

где α = λ /δ_х и все заключается в определении δ_х.

Нуссельт получил выражение

где μ - коэффициент динамической вязкости Па∙с;

x - абцисса.; r – удельная теплота парообразования;

ρ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения.

.

Среднее значение для вертикальной стенки высотой h

.

Если пар конденсируется на наклонной поверхности, то

,

где φ - угол наклона к горизонту.

Для круглой трубы 0 < φ ≤ π диаметром d.

.

8.4.10.7. Лучистый теплообмен

Все тела: жидкие, твердые и газообразные, температура которых выше абсолютного нуля, в той или иной степени излучают тепловую энергию. В ТС отвод тепла от её элементов в окружающую среду происходит конвекцией и излучением. Однако излучение является существенным лишь при сравнительно высоких температурах нагрева, превышающих 600°С и при отсутствии технологических сред, например при механической обработке без применения смазывающие - охлаждающих сред. С повышением температуры нагрева при этом значимость теплового излучения возрастает. Но не всякая лучистая энергия одинаково поглощается и излучается телами. Тепловая энергия в наибольшей степени передается лучами, представляющими собой электромагнитные колебания с длиной волны, лежащей в интервале 0,4 ... 40 мкм.

Лучистый теплообмен между телами представляет собой процесс преобразования тепловой энергии излучаемого тела в энергию электромагнитных колебаний, которые, распространяясь в виде волн, попадают на другое тело и при этом происходит превращение лучистой энергии в тепловую. Так происходит передача тепла от излучающего тела к поглощающему. Однако не вся лучистая энергия поглощается последними: часть ее отражается, а часть может проходить сквозь тело, что может быть выражено уравнением

Q = Q_П + Q_O + Q_ПР,

где Q - общее количество лучистой энергии, поступившее к телу; Q_П, Q_O и Q_ПР - соответственно количество энергии поглощенной, отраженной и прошедшей через данное тело.

Поделив обе части уравнения на Q, получим

.

Введя обозначения, запишем его так:

A + B + C =1.

Безразмерные величины А, В и С характеризуют соответственно поглощающую, отражающую и пропускную способности тела.

Разные тела характеризуются различными свойствами, определяющимися их природой, температурой и шероховатостью поверхностей твердых тел.

Если А = 1, то В = С = 0, т.е. тело, поглощает всю падающую на тело лучистую энергию. Такое тело называется абсолютно черным. В природе таких тел не существует, хотя имеются тела с близкими свойствами, например сажа, черное сукно и др.

Если В = 1, то А = С = 0, т.е. тело, отражает всю падающую на него лучистую энергию. Такое тело называется абсолютно белым.

Если С = 1, то А = В = 0, т.е. тело пропускает всю падающую на него энергию и называется абсолютно прозрачным. Близкими телами к нему являются стекло, воздух и др.

Реальные тела являются серыми, для которых А ≠ 1, В ≠ 1, С ≠ 1.

Твердые тела и жидкости для тепловых лучей практически непрозрачны, т.е. для них С = 0. Поэтому для ТС механической обработки А + В = 1.

Количество тепла, излучаемое единицей поверхности тела в единицу времени, называется плотностью теплового излучения.

Закон Вина утверждает, что наибольшая плотность теплового излучения соответствует длине волны, определяемой зависимостью

, м,

где Т - абсолютная температура нагрева тела.

Из этой зависимости следует, что с повышением температуры максимум плотности теплового излучения смещается в сторону коротких волн.

Тепловое излучение в значительной степени зависит от температуры, что выражается законом Стефана-Больцмана:

плотность теплового излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры.

Е₀ = С₀ (Т/100)⁴,

С₀ = 5,77 Вт/м² °К⁴ - коэффициент лучеиспускания.

По отношению к серым телам закон Стефана-Больцмана записывается так:

Е = ε С₀ (Т/100)⁴,

где ε - степень черноты тела, характеризующая излучающую способность серого тела по отношению к абсолютно черному.

Значения ε для некоторых тел приведены в табл. 8.2.

Таблица 8.2

Наименование материала	Интервал температуры,	ε
Алюминий шероховатый	30	0,055
Асбестовый картон	40…370	0,93…0,95
Бархат черный	20	0,995
Железо чистое	125…525	0,78…0,82
Кирпич красный	20	0,93
Лак белый и черный	40…95	0,8…0,98
Латунь прокатанная	22	0,06
Медь полированная	80…115	0,018…0,1123
Сажа	95…270	0,95
Сукно черное	20	0,98
Штукатурка шероховатая	10…80	0,91

Закон Кирхгофа: отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех серых тел и равно излучательной способности абсолютно черного тела при той же температуре.

Из этого закона следует, что в природе не существует тел, которые при одинаковой температуре излучали бы больше энергии, чем абсолютно черное тело. При постоянной во времени температуре тело излучает всю поглощемую энергию.