РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

На практике в большинстве случаев теплообмен излучением протекает одновременно с конвективным теплообменом (совместным действием конвекции и теплопроводности). Поверхность может получать или отдавать теплоту соприкосновением с газовой средой, а также путем теплообмена излучением с окружающими твердыми телами и газом. Теплообмен излучением между рассматриваемой поверхностью и твердыми телами, газом или факелом описывается формулами (4.28), (4.30), (4.42) и (4.44). Эти формулы можно выразить одной зависимостью:

q_изл = ε_прС_о[(Т_i/100)⁴ – (Т_ст/100)⁴], (4.45)

где q_изл – поток теплоты, приходящийся на единицу рассматриваемой

поверхности;

Т_i – температура газа, факела или твердого тела, участвующего в те-

плообмене излучением с рассматриваемой поверхностью.

В этой формуле приведенная степень черноты системы определяется по-разному в зависимости от вида, формы и расположения участвую-щих в теплообмене тел.

Для определения плотности теплового потока при радиационно-конвективном теплообмене удобно использовать формулу Ньютона. Если газ обменивается со стенкой теплотой одновременно путем сопри-косновения и излучения, то общий поток теплоты q равен:

q = q_c + q_изл, (4.46)

где q_c и q_изл – плотности теплового потока, обусловленные соприкос-новением и излучением, которые можно записать с помощью формулы Ньютона:

q_c = α_с(Т_i – Т_ст), (4.47)

q_изл = α_изл(Т_i – Т_ст), (4.48)

где α_с – коэффициент теплоотдачи;

α_изл - поправка на теплообмен излучением, определяется по формуле:

α_изл = q_изл/(Т_i – Т_ст) = ε_прС_о[(Т_i/100)⁴ – (Т_ст/100)⁴] / (Т_i – Т_ст). (4.49)

Просуммировав правые и левые части этих формул, с учетом равенства (4.46) получим:

q = α(Т_i – Т_ст), (4.50)

где α =α_с + α_изл – коэффициент радиационно-конвективного теплообмена.

Следовательно, когда температура тел, определяющих радиацион-ный и конвективный теплообмен, неодинакова, то общий тепловой поток находится как сумма отдельно подсчитанных радиационного и конвективного тепловых потоков.

Соотношение (4.50) удовлетворяет условию предельного перехода (когда один из видов переноса теплоты доминирует, соотношение дает правильный результат), но в области соизмеримого влияния разных механизмов переноса теплоты оказывается приближенным.

Если в теплообмене участвует капельная жидкость, то α_изл = 0.

Контрольные вопросы

1. По какой формуле определяют результирующий поток излучения между плоскими параллельными стенками?
2. По какой формуле определяют приведенную степень черноты системы в случае излучения между плоскими параллельными стенками?
3. Расчетная формула для определения результирующего потока излучения, когда одно тело окружено поверхностью другого.
4. По какой формуле определяется приведенная степень черноты системы, когда одно тело окружено поверхностью другого?
5. Для чего применяют тепловые экраны?
6. Расчетная формула для определения результирующего потока излучения при установке тепловых экранов между поверх-ностями.
7. Каким образом и во сколько раз тепловые экраны уменьшают поток теплоты ?
8. Какие газы способны излучать и поглощать заметные коли- чества лучистой энергии?
9. В чем отличие газов от твердых тел при излучении и поглоще-нии лучистой энергии?
10. От чего зависит излучательная способность (степень черноты) газов?
11. Как определяют степень черноты паров воды и диоксида углерода?
12. По какой формуле определяют степень черноты смеси, содержащей пары воды и диоксид углерода?
13. По какой формуле определяют собственное излучение газового объема?
14. По какой формуле определяют результирующий поток излучения между газом и облучаемой поверхностью?
15. Формула для определения эффективной степени черноты газа при теплообмене излучением между газом и облучаемой поверхностью.
16. Какая доля от всей теплоты, выделенной при сгорании топлива, приходится на передачу теплоты излучением?
17. Почему пламя (факел) приобретает обычно желтоватую окраску и становится непрозрачным?
18. Какие вещества влияют на излучение факела?
19. Формула для оценки теплообмена излучением между факелом и радиационной поверхностью.
20. Как определяется температура факела?
21. Покакой формуле определяется поправка на теплообмен излучением при радиационно-конвективном теплообмене?
22. Чему равняется поправка на теплообмен излучением, если в теплообмене участвует капельная жидкость?
23. Как определяется коэффициент радиационно-конвективного теплообмена?

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Теплопередачей называется теплообмен между двумя теплоноси-телями (движущимися средами) через разделяющую их твердую стенку. Теплопередача включает в себя перенос теплоты от более горячей жид-кости (газа) к стенке, теплопроводность в стенке, перенос теплоты от стенки к более холодной подвижной среде. Перенос теплоты от тепло-носителя к стенке и от стенки к теплоносителю может иметь характер теплоотдачи (совместное действие конвекции и теплопроводности) или радиационно-конвективного теплообмена (совместное действие конвек-ции, теплопроводности и теплового излучения).

Примерами теплопередачи могут служить: передача теплоты от греющей воды к воздуху помещения через стенки нагревательных батарей центрального отопления, передача теплоты от дымовых газов к воде через стенки кипятильных труб в паровых и водогрейных котлах, передача теплоты от конденсирующегося пара к воде через стенки труб конденсатора, передача теплоты от нагретых газов к воде через стенку цилиндра двигателя внутреннего сгорания и т. д. Во всех рассматриваемых случаях стенка служит проводником теплоты и изготавливается из материала с высокой теплопроводностью.

В других случаях, когда требуется уменьшить потери теплоты, стенка должна быть тепловым изолятором и изготавливаться из материала с хорошими теплоизоляционными свойствами.

Интенсивность передачи теплоты при теплопередаче характеризу-ется коэффициентом теплопередачи k, который определяется как тепловой поток Q, передаваемый через единицу площади F стенки, в единицу времени при разности температур (Т_ж1 - Т_ж2) между теплоноси-телями в 1 К:

k = Q / F(Т_ж1 – Т_ж2), Вт/(м²·К). (5.1)

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется полным (общим) термическим сопротивлением теплопередачи:

R = 1/k. (5.2)