Процессы и явления в теплотехнике

При турбулентном режиме жидкость в потоке весьма интенсивно перемешивается и естественная конвекция практически не оказывает влияния на интенсивность теплообмена. Для определения среднего по длине трубы коэффициента теплоотдачи при развитом турбулентном движении (Re>10⁴) рекомендуется следующее уравнение подобия:

Для потока в пределах Re=2·10³ч1·10⁴ лежит область переходного режима. Теплоотдача при этом режиме зависит от очень многих факторов, которые трудно учесть одним уравнением подобия. Приближенно коэффициент теплоотдачи в этой области можно оценить следующим образом. Наибольшее значение коэффициента теплоотдачи определится по формуле, а наименьшее с помощью уравнения

23. Конвективный тепло- и массообмен. Их аналогия и взаимосвязь

В движущейся однокомпонентной среде теплота переносится теплопроводностью и конвекцией. Этот процесс называется конвективным теплообменом. По аналогии перенос вещества в многокомпонентной среде совместно происходящими процессами молекулярной диффузии и конвекции называют конвективным массообменом. Практический интерес представляют процессы теплообмена и массообмена при испарении, сублимации (возгонке), конденсации, сорбции, десорбции и др. В этом случае система является гетерогенной. Поверхность жидкой (или твердой) фазы играет роль, аналогичную роли твердой стенки в процессах теплоотдачи без сопутствующей диффузии. Аналогично теплоотдаче конвективный массообмен между жидкой или твердой поверхностью и окружающей средой называют массоотдачей. В рассматриваемых случаях тепло- и масоотдача идут одновременно. Для расчетов теплоотдачи используют закон Ньютона--Рихмана

где q_с измеряется в Дж/(м²Чс).

Для расчетов массоотдачи используют уравнение

- плотность потока массы, кг/(м²Чс); в-- коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности концентраций диффундирующего вещества, м/с; индексы «с» и «0» показывают, что концентрация диффузионного вещества берется соответственно на поверхности раздела фаз и вдали от нее. Используя уравнение состояния идеальных газов, выражение (14.22) или (14.23) можно записать в следующем виде:

здесь в_р-- коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности парциальных давлений Коэффициенты массоотдачи в и в_р связаны соотношением

Рассмотрим испарение жидкости в парогазовую среду. Будем полагать, что полное давление по всему объему парогазовой смеси неизменно, а температурные разности пренебрежимо малы. В этом случае можно не учитывать термо- и бародиффузию. Отсутствуют возбудители движения, посторонние для рассматриваемого процесса испарения. Концентрация пара изменяется от значения m_п,с на поверхности испаряющейся жидкости до значения m_п,0 вдали от поверхности раздела (рис. 14.3).

Рис. 28 Распределение концентраций пара и газа у поверхности испарения

Так как m_п+m_г=1, то

Следовательно, газ должен диффундировать в направлении, обратном направлению диффузии пара. Пар может свободно диффундировать в парогазовую среду.

Для газа же поверхность жидкости является непроницаемой преградой. Вследствие этого количество газа у поверхности жидкости должно непрерывно увеличиваться. Но в случае стационарного режима распределение концентраций не изменяется во времени. Поэтому перемещение газа к поверхности испарения должно компенсироваться конвективным потоком парогазовой смеси, направленным от жидкости. Этот поток называют стефановым потоком. Его скорость обозначим через щ_с.п. Суммарный поток пара будет равен сумме молекулярного и конвективного потоков:

Суммарный поток газа у поверхности жидкости равен нулю:

Из последнего уравнения с учетом уравнения (а) получаем:

Подставив полученное значение щ_с.п,c в уравнение (14.26), получим (14.28). Уравнение (14.28) впервые было получено Стефаном. Это уравнение отличается от закона диффузии, относящегося к условиям беспрепятственного распространения обоих компонентов смеси, дополнительным множителем 1/m_г,с. Этот множитель учитывает конвективный (Стефанов) поток, вызванный непроницаемостью поверхности испарения для газа. Как следует из изложенного, стефанов конвективный поток появляется и при отсутствии вынужденной или свободной тепловой конвекции. Поток массы на поверхности испарения определяется с помощью уравнения (14.22). Этот же поток может быть определен уравнением (14.28). Приравняв правые части уравнений (14.22) и (14.28), получим:

Рассмотренный процесс испарения жидкости в парогазовую смесь соответствует условиям полупроницаемой поверхности, т. е. поверхности, проницаемой для одного (активного) компонента смеси (пара) и непроницаемой для другого (инертного) компонента (газа). Полупроницаемая поверхность наблюдается и при конденсации пара из парогазовой смеси. В случае полностью проницаемой поверхности через нее проходят оба компонента. Поверхность является полностью проницаемой, например, при конденсации обоих компонентов бинарной паровой смеси. Такой же эффект может иметь место и при испарении некоторых растворов. Будем исходить из того, что и в случае тепло- и массообмена

Такое определение коэффициента теплоотдачи не отличается от ранее использованного. Общее количество теплоты q_с, отдаваемой или воспринимаемой жидкостью и парогазовой смесью, равно сумме теплоты, переданной конвективным теплообменом, и теплоты, переданной диффундирующей массой в виде энтальпии. При полупроницаемой поверхности в условиях стационарного процесса стефанов поток компенсирует встречный молекулярный поток газа и реально возникает лишь поперечный поток пара. В этом случае на границе раздела фаз

24. Теплообмен излучением. Лучистый поток. Поглощательная, отражательная и пропускная способности тела. Эффективное излучение тела

Тепловое излучение представляет собой процесс распространения в пространстве внутренней энергии излучающего тела путем электромагнитных волн.

Излучаемая в единицу времени энергия в узком интервале изменения длин волн (от л до л+dл) называется потоком монохроматического излучения Q_л. Поток излучения, соответствующий всему спектру в пределах от 0 до ?, называется интегральным, или полным, лучистым потоком Q(Вт). Интегральный лучистый поток, излучаемый с единицы поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства, называется плотностью интегрального излучения (Вт/м²)

Отсюда

Если величина Е одинакова для всех элементов поверхности F, то Q=E·F.

Плотность потока монохроматического излучения носит название спектральной интенсивности излучения J_л. Она связана с плотностью интегрального излучения уравнением: или

Каждое тело не только излучает, но и поглощает лучистую энергию. Из всего количества падающей на тело лучистой энергии E_пад (Q_пад) часть ее E_пог (Q_пог)поглощается, часть Е_от (Q_от) отражается и часть E_пр (Q_пр) проходит сквозь тело. Следовательно,

Обозначим

где А -- коэффициент поглощения; R -- коэффициент отражения, D -- коэффициент пропускания. Тогда А+R+D=1.

Если тело поглощает все падающие на него лучи, то есть A=1, R=О, D=0, оно называется абсолютно черным. Если вся падающая на тело энергия отражается, тоR=1, А=О, D=0. Если при этом отражение подчиняется законам геометрической оптики, тело называется зеркальным; при диффузном отражении, когда отраженная лучистая энергия рассеивается по всем направлениям, -- абсолютно белым. ЕслиD=1, то A=0 и R=0. Такое тело пропускает все падающие на него лучи и называется абсолютно прозрачным. В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует.

Участвующее в лучистом теплообмене тело, помимо собственного излучения Е, определяемого свойствами излучающего тела и температурой, отражает падающую на него энергию, т. е.

Сумма энергии собственного и отражательного излучения составляет эффективное излучение тела

25. Тепловое излучение между твёрдыми телами

На основании законов излучения получено расчетное уравнение лучистого теплообмена между телом 1 произвольной формы и поверхностью другого, большего и охватывающего его тела 2

где Q_1,2 - тепловой поток, передаваемый излучением телом 1 телу 2, Вт;

е_1,2 - приведенная степень черноты тел 1 и 2, определяемая из выражения

F₁ и F₂ - площади поверхностей тел 1 и 2, м²; Т₁ и Т₂ -- абсолютная температура поверхностей тел 1 и 2, К.

Рис. 28

Такой случай еще называют теплообменом излучением между телом и его оболочкой; внутреннее тело всегда тело 1.

Частный случай рассмотренного теплообмена -- теплообмен между двумя параллельными неограниченными стенками. Когда F₁ = F₂ = F, применяют расчетное уравнение теплообмена излучением, а приведенная степень черноты определяется из выражения

Уравнение можно использовать для расчета лучистого теплообмена между двумя телами любой формы и произвольного их расположения, только в каждом частном случае для определения приведенных степени черноты и поверхности (для е_1,2 и F_1,2) имеются свои расчетные выражения.

Размещено на Allbest.ru