Тема 6. Основные положения конвективного теплообмена

Теплообмен между поверхностью твердой стенки и средой (в качестве среды подразумевается жидкость или газ) называется теплоотдачей. Различают ламинарный и турбулентный режимы движения. Характер движения определяется безразмерным числом Рейнольдса:

Re = ω·l / ν,

где ω – скорость, м/с;

l - характерный геометрический размер, м;

ν – коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

Уравнение конвективного теплообмена (уравнение Ньютона - Рихмана)

dQ = α·dF(tст – tж)·dτ (8)

где: Q – количество теплоты, Дж;

F – площадь поверхности стенки, м²;

τ – время, сек;

tст и tж – температуры стенки и жидкости, ºС; α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К). Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность теплообмена между стенкой и жидкостью (газом), числовое значение которого равно количеству тепла, которое отдает или воспринимает поверхность стенки 1 м² за время 1 сек при разности температур стенки и среды в один градус. Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов: скорости среды, физических параметров среды (λ, с, ρ, а, ν), характера движения, от температур стенки и среды, формы поверхности и геометрических размеров, состояния поверхности).

Для определения коэффициента теплоотдачи используются критериальные уравнения, выраженные через безразмерные числа, полученные опытным путем. Основными безразмерными числами гидродинамического и теплового подобия являются: Рейнольдса (Re), Эйлера (Eu), Фруда (Fr), Нуссельта (Nu), Пекле (Pe), Грасгофа (Gr), Прандтля (Pr), Фурье (Fo), Био (Bi).

Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при развитом турбулентном режиме движения жидкости (Re > ) и l/d > 50 можно использовать критериальное уравнение академика Михеева М.А.

(9)

Для воздуха (при Pr≈0.7) эта функция упрощается

(10)

При свободном движении жидкости можно использовать формулу акад. Михеева М.А.

(11)

Коэффициенты С и n выбирают по таблице в зависимости от величины

Например, =500 ; С=0,54; n = 0.25

= ; С=0,135; n = 0.33

Тема 7. Теплообмен излучением

Энергия излучения возникает за счет энергии других видов в результате сложных молекулярных и внутриатомных процессов. Природа всех лучей одна и та же. Она представляет собой распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны. Из всех лучей наибольший интерес для теплопередачи представляют тепловые лучи с λ= мкм.

Законы теплового излучения. Закон Планка устанавливает соотношение между интенсивностью излучения абсолютно черного тела Joλ, длиной волны λ и абсолютной температурой Т.

(12)

- первая постоянная Планка;

- вторая постоянная Планка.

Закон смещения Вина. Произведение длины волны, соответствующей максимальной интенсивности излучения (λmax) на абсолютную температуру величина постоянная. λmax·Т=2,9 мм·К

Закон Стефана-Больцмана устанавливает связь между интегральным излучением абсолютно черного тела и абсолютной температурой.

- константа излучения абсолютно черного тела.

- коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Закон Кирхгофа устанавливает связь между излучательной и поглощательной способностями любого тела

(13)

или (14)

и т.д.

- называется степенью черноты тела.

С – коэффициент излучения серого (реального) тела,

Закон Ламберта устанавливает, что интенсивность излучения с единицы поверхности абсолютно черного тела в произвольном направлении пропорциональна косинусу угла между этим направлением и нормалью к поверхности.