Определение коэффициента теплоотдачи.
Для определения коэффициента теплоотдачи берут число Нуссельта (критерий) в которое входит коэффициент теплоотдачи. Остальные критерии, выполняют роль аргументов этой функции и выбираются в зависимости от характера движения жидкости. Составленная таким образом функция называется критериальным уравнением. При вынужденном движении жидкости, согласно теории подобия, применяются следующие критериальные уравнения:
Nu`=f(Re,Pr)
где - коэффициент температуропроводности.
Так как для газов число Прандтля Pr=const, то
Nu`=f(Re).
При естественной конвекции применяется критериальное уравнение:
Nu`=f(Gr;Pr)
- естественная конвекция.
Теплоотдача при вынужденной конвекции.
При вынужденной конвекции коэффициент теплоотдачи зависит от следующего условия: характера движения жидкости или газа. С возрастанием числа Рейнольдса увеличивается турбулентность, а значит возрастает теплообмен и коэффициент α. При турбулентном движении жидкости в гладких трубах при Re> , применяется импереческое уравнение для вычисления числа Нуссельта:
Nu=0.021· · ·A
Справедливо, если число Рейнольдса Re< . Здесь коэффициент А определяют исходя из природы жидкости или газа и используют формулу:
,
Где Prж - число Прандтля для жидкости.
Prст - число Прандтля для стенки.
Для газов А=1.
Коэффициент А учитывает направление теплового потока. При нагревании α получается больше, при охлаждении – меньше.
При l/d>50 ,
где l- длина трубы
d - диаметр трубы.
Значение α получаются средним для всей длины трубы.
Теплообмен при свободной конвекции.
Теплообмен при свободном движении наблюдается вдоль нагретой стенки и происходит вследствие разности температур. Характер движения потока при свободной конвекции изменяется от ламинарного до турбулентного, и одновременно с этим изменяется и коэффициент теплоотдачи α.
;
С,n- Коэффициенты, которые определяют из справочников в зависимости от величины аргументов (Gr;Pr)
λ- коэффициент теплопроводности.
l- определяющий размер за который принимается высота стенки или длина вертикальной трубы.
В случае горизонтальной трубы за определяющий размер определяется диаметр d.
Лучистый теплообмен.
Тепловое излучение – есть результат превращения внутренней энергии тел в энергию электромагнитных колебаний. Тепловое излучение как процесс распространения электромагнитных волн характеризуется длиной волны λ и частотой колебаний:
ν=с/λ,
с- скорость света. (В вакууме м/с)
Тепловой поток, излучаемый на всех длинах волн с единицей поверхности тела по всем направлениям называется поверхностной плотности потока интегрального излучения E.
Часть энергии излучения Eпад, падающего на тело поглощается Eа, часть отражается Er и частично проникает сквозь него E∆.
Eа+ Er+ E∆= Eпад.
Это уравнение теплового баланса можно записать в безразмерной форме:
A+R+D=1,
Где А- коэффициент поглощения.
R- коэффициент отражения.
D- коэффициент пропускания.
Тело, поглощающее все падающие на него излучения, называется абсолютно черным, для него А=1.
Тела для которых А<1 и зависит от длины волны падающего излучения называется серыми. Для абсолютно белого тела R=1,для прозрачного D=1.
Как абсолютно черного тела так и абсолютно белого тела не существуют, тепловые лучи поглощаются телом и преобразуются в энергию движения атомов и молекул, что вызывает повышение температуры тела. Интенсивность излучения возрастает с повышением температуры излучающих тел.
Твердые тела и жидкостные тела излучают электромагнитные волны основного спектра (0;∞). Нагретые газы излучают только в определенном интервале длины волн. Суммарный процесс взаимного испускания, поглощения, отражения и пропускания энергии излучения в системах тел, называется лучистым теплообменом.
Поверхностная плотность потока интегрального излучения абсолютно черного тела, в зависимости от его температуры, описывается законом Стефана-Больцмана.
, где
σ0=5,67 - постоянная Стефана- Больцмана.
Для технических расчетов закон Стефана- Больцмана записывают в виде:
,где
С0= σ0· =5,67 - коэффициент излучения абсолютно черного тела.
Тела, с которыми мы встречаемся на практике излучают меньше тепловой энергии, чем абсолютно черное тело при той же температуре.
Отношение поверхностной плотности потока собственного интегрального излучения E к поверхностной плотности потока интегрального излучения E0 абсолютно черного тела при той же температуре называется степенью черноты тела.
Степень черноты ( ) меняется для различных тел от 0 до 1, в зависимости от материала, состояния поверхности и температуры (справочная величина).