Тепловое излучение газов и паров

Излучение газов и паров значительно отличается от излучения твердых тел. В отличие от твердых тел и жидкостей, поглощающих и излучающих лучистую энергию всех длин волн от 0 до бесконечности, излучение газов и паров избирательно. Они излучают и поглощают энергию лишь в определенных диапазонах длин волн. Например, двуокись углерода способна излучать и поглощать лучистую энергию в диапазоне длин волн 236÷302 мкм, 12,5÷16,5 мкм и 4,01÷4,8 мкм. Для остальных диапазонов длин волн двуокись углерода диатермична. Водяной пар имеет также три полосы излучения и поглощения. Большинство же газов и паров практически диатермично.

Отличительной особенностью излучения газов и паров является также и то, что они излучают и поглощают не поверхностным слоем, а всем объемом. В связи с этим их излучательная и поглощательная способности Eгзависят от толщины слоя l газа или пара и от содержания в газовой смеси излучающего газа.

Ег= f(l, р, Тг),

где р – парциальное давление излучающего газа в газовой смеси; Тг – температура газа.

Если в газовой смеси находятся хотя бы два излучающих газа, у которых спектры излучения совпадают, то суммарное излучение такой смеси будет меньше, чем излучение каждого газа в отдельности, так как энергия излучения одного газа частично поглощается другим.

Зависимость лучеиспускательной способности от температуры для всех газов не одинакова. Лучеиспускательная способность газов пропорциональна температуре, в среднем, в степени 3 – 3,5. Однако в расчетах принимают, что газы и пары следуют закону Стефана-Больцмана и соответствующие отклонения учитывают величиной степени черноты газа . В соответствии с этим тепло, излучаемое газом (паром):

. (7.58)

Степень черноты газа зависит от его температуры, парциального давления р в газовой смеси и толщины слоя l газа, определяется опытным путем и приведена в справочной литературе.

Для практических расчетов лучистого теплообмена между газовой средой c температурой Tги поверхностью твердого тела с температурой Тс используют степени черноты газа и твердого тела . Тогда в соответствии с законом Стефана-Больцмана

. (7.59)

 

Конвективный теплообмен

Конвективным теплообменом называют процесс теплообмена при движении жидкости или газа. При этом перенос теплоты осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Под конвекцией теплоты понимают перенос тепла при перемещении макрочастиц жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвенция возможна лишь в движущейся среде, в которой перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды. Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно происходит соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры.

В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости или газа, различают вынужденную и естественную конвекции. Вынужденная конвекция происходит под воздействием внешних сил – разности давлений, создаваемой насосом, вентилятором, мешалкой, ветром или иным каким-либо источником. Естественная конвекция возникает вследствие изменения плотности самой жидкости или газа в результате термического расширения. Подъемная сила, обусловливающая свободное движение частиц или естественную конвекцию, выражается величиной , а ускорение, вызываемое этой силой, равно ( и – плотности жидкости в двух ее точках при температурах и ; – ускорение силы тяжести). Если объемный коэффициент температурного расширения жидкости или газа b, то

. (7.60)

Конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью соприкасающегося с ними твердого тела носит название конвективной теплоотдачи или просто теплоотдачи. Следовательно, конвективная теплоотдача является результатом двух параллельно протекающих процессов переноса тепла: собственно теплопроводности и теплообмена, обусловленного движением жидкости или газа. В зависимости от свойств последних и характера их движения вклад каждого из двух процессов может быть различным, но при всех условиях интенсивность теплообмена неразрывно связана с характером движения жидкости или газа. В связи с этим различают теплоотдачу при свободной или естественной конвекции, при ламинарном и турбулентном режимах течения.

При свободной конвекции более нагретые частицы, имеющие меньшую плотность, поднимаются вверх, их сменяют боле холодные частицы, которые, опускаясь вниз и нагревшись, также движутся кверху; в результате возникают конвективные токи. В этом случае теплоотдача зависит от форм и размеров твердой поверхности, температуры жидкости (газа), коэффициента объемного расширения b и других физических свойств (r, l, μ, ), а также от ускорения силы тяжести. Вместе с тем скорость движения жидкости не оказывает влияния на теплоотдачу, так как она является функцией независимых переменных, указанных выше.

При ламинарном режиме движения теплоотдача определяется как вынужденным, так и свободным движением потоков жидкости или газа. Если естественная конвекция отсутствует (либо ею можно пренебречь), то перенос тепла по нормали к поверхности осуществляется лишь за счет теплопроводности жидкости (газа). При наличии же свободной конвекции неизбежно возникает турбулизация потока и перенос тепла усиливается. Наибольшая турбулизация возникает при вертикальном положении твердой поверхности и противоположном направлении свободного и вынужденного движений. При горизонтальном положении поверхности свободное движение жидкости или газа создает довольно сильную турбулизацию, независимо от направления теплового потока.

При турбулентном режиме движения жидкости или газа тепловой поток, по аналогии с гидродинамическим, разделяют на две части: пограничный тепловой слой и внешний поток, или ядро потока. В ядре потока перенос тепла осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Перенос тепла конвекцией тем интенсивнее, чем более турбулентно движутся жидкость или газ и чем энергичнее осуществляется перемешивание их частиц. Механизм переноса тепла в ядре потока при турбулентном течении характеризуется интенсивным перемешиванием за счет турбулентных пульсаций, что приводит к выравниванию температур в ядре до некоторого среднего значения tср. Таким образом, перенос тепла в ядре потока определяется прежде всего характером движения теплоносителя, завися также от его теплофизических свойств.

Рисунок 7.10 – Изменение скорости w и температуры t в неподвижной точке турбулентного потока

На рис. 7.10 показана осциллограмма колебаний скорости и температуры в неподвижной точке турбулентного потока, имеющего среднюю скорость течения wср. Мгновенная скорость в этой точке w пульсирует около некоторого среднего во времени значения wср, при этом изменение абсолютной скорости сопровождается еще и изменением направления мгновенной скорости. Отклонение мгновенной скорости w от средней во времени wср носит название пульсаций скорости или пульсационной скорости w'. При этом w = wср + w', т.е. турбулентное движение состоит из регулярного течения, описываемого осредненными значениями скоростей, и из наложенного на него хаотического пульсационного течения. При пульсациях скорости происходит перенос механической энергии. Если в потоке имеет место разность температур, то пульсации скорости приводят к переносу теплоты, вследствие чего возникают пульсации температуры. Температура в определенной неподвижной точке турбулентного потока t колеблется около некоторого среднего во времени значения tср. Пульсация температуры t' связана с t и tср уравнением t = tср + t'. Таким образом, теплоперенос при турбулентном течении не является стационарным процессом, однако если осредненные во времени скорости и температуры (wср и tср) не изменяются, то его рассматривают как установившийся.

Наличие конвективного теплообмена изменяет распределение скоростей в потоке по сравнению с распределением в случае изотермического потока. Вместе с тем распределение температур определяется полем скоростей. Это обстоятельство взаимного влияния температурного и скоростного полей необходимо учитывать при точном решении задач о конвективном теплообмене в случае сильного изменения вязкости жидкости или газа с изменением температуры.

В тепловом пограничном слое по мере приближения к стенке интенсивность конвекции падает, возрастает доля теплопроводности в тепловом потоке. В непосредственной близости от стенки в тонком тепловом подслое перенос тепла по нормали к стенке осуществляется только теплопроводностью. Этот пристенный слой получил название пограничного подслоя. Влияние турбулентных пульсаций на перенос тепла в этом подслое практически отсутствует. Распределение скоростей и температур, как уже указывалось, взаимосвязаны. Однако точный расчет их представляет большие трудности, так как в общем случае гидродинамический и тепловой пограничные слои деформируются по-разному.

В пределах пограничного слоя температура изменяется от температуры поверхности стенки tст до температуры жидкости (газа) в ядре потока tж. Для области внутри теплового пограничного слоя изменение температуры по нормали , а на его внешней границе и в ядре потока и . Следовательно, все изменение температуры жидкости или газа по нормали к поверхности (а следовательно, и термическое сопротивление) сосредоточено в пограничном слое. Однако это изменение неравномерно по его толщине, в основном оно сосредоточено в пограничном подслое. На рис. 7.11 приведена приближенная схема механизма переноса тепла.

Рисунок 7.11 – Структура теплового потока при турбулентном режиме: 1 – пограничный подслой; 2 – пограничный слой; 3 – ядро потока

Для удобства анализа и расчета вводят понятие о модельном пограничном слое с четкими границами, в котором сосредоточено все изменение температур . За пределами этого слоя толщиной , т.е. в ядре потока, температура считается постоянной.

Интенсификация конвективного теплообмена связана с уменьшением толщины пограничного слоя. С развитием турбулентности пограничный слой может быть настолько тонким, что конвекция будет оказывать доминирующее влияние на теплообмен.

На размеры и структуру пограничного слоя оказывают влияние геометрическая форма и размеры поверхности теплообмена, которые определяют характер обтекания поверхности жидкостью или газом. В технике имеется большое многообразие поверхностей нагрева (пластины, трубы и т.д.), каждая из них создает специфические условия движения и теплоотдачи.

Малая толщина пограничного слоя позволяет пренебречь его кривизной (даже если стенка не является плоской) и считать температурный профиль в слое линейным. Это означает, что перенос теплоты через модельный тепловой пограничный слой можно рассматривать как теплопроводность через плоский слой жидкости или газа с теплопроводностью и представить выражением

. (7.61)

Ввиду сложности механизма конвективного теплообмена и определения δт для удобства расчета теплоотдачи в основу его положен закон охлаждения Ньютона. Согласно этому закону теплоотдачи количество тепла dQ, передаваемое от поверхности теплообмена к окружающей среде или, наоборот, от окружающей среды к поверхности теплообмена, прямо пропорционально поверхности теплообмена dF, разности температур поверхности tст и окружающей среды tж и времени dτ, в течение которого осуществляется теплообмен, т.е.

, (7.62)

где – коэффициент пропорциональности, который носит название коэффициента теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество тепла передается от единицы поверхности нагрева в окружающую среду или, наоборот, от окружающей среды к единице поверхности теплообмена в единицу времени при разности температур теплообменной поверхности и окружающей среды в один градус:

.

При расчете конкретных установившихся тепловых процессов коэффициент теплоотдачи принимают постоянным вдоль всей теплообменной поверхности, тогда уравнение (7.62) принимает вид:

, (7.63)

где Q – количество тепла, переносимое в единицу времени, Вт.

Сопоставление уравнений (7.61) и (7.63) для одного и того же потока теплоты дает соотношение

, или . (7.64)

Это соотношение, как правило, не является расчетным, так как за редким исключением толщина пограничного слоя δт неизвестна. Однако выражение (7.64) позволяет моделировать явления конвективного переноса теплоты. Из этого выражения следует, что коэффициент теплоотдачи зависит от теплопроводности жидкости (газа), омывающей поверхность теплообмена, и толщины теплового пограничного слоя, который в свою очередь зависит от геометрической формы, размера и состояния (шероховатости) поверхности, ее температуры, характера и режима движения жидкости или газа, их физических и теплофизических свойств, а также коэффициента объемного расширения b. Таким образом, коэффициент теплоотдачи является функцией многих переменных:

(7.65)

где d и L – характерные линейные размеры (диаметр и длина соответственно); ε – степень шероховатости поверхности теплообмена.

Теоретическое определение коэффициента теплоотдачи возможно лишь для очень ограниченного числа простейших случаев. В инженерной практике пользуются расчетными зависимостями, полученными путем обобщения многочисленных экспериментальных данных на основе теории подобия. Для этого необходимо дифференциальное уравнение конвективного теплообмена.