2.2.5 Питання для самоконтролю

1. Сформулюйте основні положенні конвективного теплообміну.

2. Як формулюється основний закон Ньютона-Ріхмана?

3. Сформулюйте фізичний зміст коефіцієнта тепловіддачі.

4. Поясніть, як впливає розташування тіла у просторі на інтенсивність теплообміну при вільній конвекції?

5. Які критеріальні залежності при конвективному теплообміні характеризують вільний рух середовища? Поясніть рівняння.

6. Які критеріальні залежності при конвективному теплообміні характеризують вимушений рух середовищ у трубах і каналах? Пояснити рівняння.

7. За рахунок чого можна інтенсифікувати вимушену конвекцію у трубах і каналах?

8. За рахунок чого можна інтенсифікувати вільну конвекцію?

9. Порядок розрахунку коефіцієнта тепловіддачі при вільній конвекції різними методами.

10. Визначити температуру стінки в умовах конвективного теплообміну.

11. Назвіть основні теореми теорії подоби.

12. Назвіть основні режими руху рідини.

2.3 Теплообмін випромінюванням

2.3.1 Загальні положення

Промениста енергія виникає за рахунок енергії інших видів у результаті складних молекулярних і внутрішньоатомних процесів. Природа всіх променів однакова. Вони являють собою електромагнітні хвилі, що поширюються у просторі. Джерелом теплового випромінювання є внутрішня енергія нагрітого тіла. Кількість променистої енергії в основному залежить від фізичних властивостей і температури тіла, яке випромінює.

При перенесенні теплоти теплопровідністю і конвекцією необхідна наявність фізичного середовища. Перенесення теплоти випромінюванням не потребує обов’язкової наявності середовища між об’єктами і може без перешкод проходити через діатермічне середовище, вакуум та ін.

Електромагнітні хвилі розрізняються між собою за довжиною хвилі. У залежності від довжини хвилі λ промені мають різні властивості.

Найменшу довжину хвилі мають космічні промені λ=0,1–10 Å (де Å – ангстрем, одиниця довжини, 1 Å=10^-10 м). Гамма-промені, що випромінюються радіоактивними речовинами, мають довжину хвилі до

10 Å; промені Рентгена – λ=10-200 Å; ультрафіолетові промені – λ=200 Å – 0,4 мк (де мк – мікрон, 1 мк=1 мкм=0,001 мм=10^-6 м), світлові промені – λ=0,4–0,8 мк, інфрачервоні чи теплові промені – λ=0,8–400 мк, радіо чи електромагнітні промені – λ>400 мк. Із усіх променів найбільший інтерес для теплопередачі викликають теплові промені з λ=0,8–40 мк.

Випромінювання властиве всім тілам, і кожне з них випромінює і поглинає енергію безупинно, якщо температура його не дорівнює 0 К. При однакових чи різних температурах між тілами, розташованими як завгодно у просторі, існує безупинний променистий теплообмін.

При температурній рівновазі тіл кількість променистої енергії, що віддається, буде дорівнювати кількості променистої енергії, що поглинається. Спектр випромінювання більшості твердих і рідких тіл безупинний. Ці тіла випускають промені всіх довжин хвиль від малих до великих.

Спектр випромінювання газів має лінійчатий характер. Гази випускають промені не всіх довжин хвиль. Таке випромінювання називається селективним (вибірковим). Випромінювання газів має об'ємний характер.

У теплотехніці в основному розглядається випромінювання лише твердих тіл і газів, тому що рідини застосовуються при температурах, яким відповідає досить висока густина випромінювання, і вони при цьому можуть знаходитися тільки в газоподібному стані.

Теплове випромінювання, як процес поширення електромагнітних хвиль, характеризується довжиною хвилі λ (у метрах) і частотою коливань ν (у герцах). При цьому хвилі поширюються зі швидкістю світла с=3×10⁸ м/с, а частота коливань і довжина хвилі зв'язані між собою рівнянням

c

  . (2.150)



Сумарне випромінювання з поверхні тіла в усіх напрямках напівсферичного простору і за всіма довжинами хвиль спектра називається інтегральним випромінювання чи повним променистим потоком, позначається Q і вимірюється у ватах (Вт).

Інтегральний променистий потік, який випромінюється одиницею поверхні в усіх напрямках, називається густиною інтегрального випромінювання і позначається Е

Е = Q / F, (2.151)

де Q – повний променистий потік, Вт; F – площа поверхні, м².

Густина інтегрального випромінювання Е вимірюється у ватах на метр у квадраті (Вт/м²).

Кожне тіло здатне не тільки випромінювати, але і відбивати, поглинати і пропускати через себе промені, що падають від іншого тіла. Позначимо загальну кількість променистої енергії, що падає на тіло, через

Q, частину енергії, яка поглинається тілом, через А, частину, яка відбивається, через R, а частину, яка проходить крізь тіло, через D. Тоді

Q = Q_A + Q_R + Q_D (2.152)

або

A + R + D = 1. (2.153)

Величину А називають коефіцієнтом поглинання. Він являє собою відношення променистої енергії, що поглинається, до всієї променистої енергії, що падає на тіло.

Величину R називають коефіцієнтом відбивання. R дорівнює відношенню променистої енергії, яка відбивається, до усієї, що падає на тіло.

Величину D називають коефіцієнтом пропускання. D дорівнює відношенню променистої енергії, яка пройшла крізь тіло, до всієї променистої енергії, що падає на тіло.

Для більшості твердих тіл, що практично не пропускають крізь себе променисту енергію, А + R = 1.

Якщо поверхня поглинає всі промені, що падають на неї, тобто А=1, R=0 і D=0, то таку поверхню називають абсолютно чорною.

Якщо поверхня відбиває цілком усі промені, що падають на неї, то таку поверхню називають абсолютно білою. При цьому R=1, А=0, D=0.

Якщо тіло є абсолютно прозорим для теплових променів, то D=1, R=0 і A=0. Таке тіло називається абсолютно прозорим або діатермічним.

Якщо поверхня відбиває промені під тим же кутом, під яким вони падають на неї, то таку поверхню називають дзеркальною. Якщо падаючий промінь при відбиванні розщеплюється на безліч променів, що йдуть за всілякими напрямками, то таке відбивання називають дифузним а поверхню – матовою (наприклад, поверхня крейди).

Якщо тіло в однаковому ступені поглинає промені, що падають, у всіх довжинах хвиль при будь-яких температурах, то воно називається сірим, у противному випадку – кольоровим.

У природі абсолютно чорних, білих і прозорих тіл не існує, проте поняття про них є дуже важливим для порівняння з реальними поверхнями. Кварц для теплових променів непрозорий, а для світлових і ультрафіолетових променів прозорий. Кам'яна сіль прозора для теплових променів і непрозора для ультрафіолетових променів. Віконне скло прозоре для світлових променів, а для ультрафіолетових і теплових майже непрозоре. Біла поверхня (тканина, фарба) добре відбиває лише видимі промені, а теплові промені поглинає також добре, як і темна. Таким чином, властивість тіл поглинати чи відбивати теплові промені залежать в основному від стану поверхні, а не від її кольору. Реальні тіла приблизно можна вважати сірими, при цьому у металів коефіцієнт поглинання (середній за довжинами хвиль) зростає зі збільшенням температури, а у неметалів знижується.

При дослідженні променистих потоків велике значення має розподіл енергії, що випромінюється абсолютно чорним тілом, за окремими довжинами хвиль спектра. Кожній довжині хвилі променів при визначеній температурі відповідає визначена інтенсивність випромінювання – Іs_λ

(індекс «s»означає, що дана величина відноситься до абсолютно чорного тіла). Інтенсивність випромінювання чи спектральна (монохроматична) інтенсивність абсолютно чорного тіла являє собою густину променистого потоку тіла для довжин хвиль від λ до λ+dλ, яку віднесено до інтервалу довжин хвиль dλ, що розглядається, тобто

dE^s

Is_ _d . (2.154)

Інтенсивність інтегрального випромінювання будь-якого тіла в загальному випадку дорівнює відношенню густини інтегрального випромінювання даного тіла до довжини хвилі

E

I_ _ . (2.155)

Інтенсивність інтегрального випромінювання вимірюється у ватах на метр в кубі (Вт/м³).