Материал: Нагрев и нагревательные устройства. курс лекций. Гольцев А.М., Бойко А.Ю

- ускорение свободного падения;

- коэффициент объемного расширения газа;

- разность температур газа и поверхности твердого тела.

Решается критериальное уравнение типа:

, (27)

где - коэффициенты, определяемые опытным путем.

Из критерия Нуссельта определяется .

3.3 Теплопередача излучением.

Тепловое излучение – излучение электромагнитных колебаний. Основное количество тепловой энергии при температурах печей переносятся электромагнитными колебаниями с длинами волн 0.6 – 50мкм.

Тепловой поток излучаемой энергии выражается в ваттах. Количество энергии, излучаемое единицей поверхности в единицу времени, называется плотностью теплового излучения.

, . (28)

Тепловое излучение свойственно всем телам. Попадая на поверхность другого тела или в лучепоглощающую среду, лучистая энергия поглощается, отражается и проходит сквозь тело полностью или частично в зависимости от свойств тела, характеризуемых коэффициентами:

- коэффициент поглощательной способности;

- коэффициент отражательной способности;

- коэффициент способности пропускать тепловую энергию;

где , , - части теплового потока излучения, поглощенные, отраженные и пронизавшие тело.

Тогда

В зависимости от свойств различают тела:

абсолютно черное, если ,

абсолютно белое, если ,

теплопрозрачное, если ,

серое, .

Всякое тело излучает энергию и в тоже время отражает и поглощает лучи, падающие на него от излучения окружающих тел. Фактически измеряется приборами и ощущается суммарное, а не собственное излучение тела.

Зависимость плотного излучения абсолютно черного тела от температуры была установлена экспериментально И. Стефаном (1879г.) и методом термодинамических расчетов Л. Больцманом (1887г.).

, (29)

где - плотность излучения абсолютно черного тела;

- постоянная излучения абсолютно черного тела;

- постоянная Больцмана, весьма мала, - велика, принято выражение

, (30)

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Плотность излучения серых тел принято выражать через плотность излучения абсолютно черного тела

, (31)

где - степень черноты серого тела.

Установлена Кирхгофом (закон Кирхгофа) связь между поглощательной способностью серого тела (коэффициент А) и его плотностью излучения

,то есть функция четвертой степени абсолютной температуры. На основании законов Стефана – Больцмана и Кирхгофа можно определить результирующий тепловой поток между двумя твердыми телами, имеющими различную температуру, расположенными в лучепрозрачной среде.

, (32)

где - приведенная степень черноты серых тел, участвующих в теплообмене;

и - угловые коэффициенты, показывающие долю теплового излучения одного тела, попадающего на поверхность другого тела;

- расчетная поверхность теплообмена.

Угловые коэффициенты определяются, как правило, экспериментально. Для некоторых случаев теплообмена они могут быть определены:

- две плоскости, параллельные с малым

расстоянием между ними

тогда

Если имеется система тел, из которых одно имеет вогнутую поверхность (1), а другое – выпуклую (2) как это есть в рабочем пространстве печи, то

,

.

Лекция №4 Особенности теплового излучения газов

В рабочем пространстве печи содержаться продукты горения, излучающие и поглощающие тепловую энергию, то есть участвующие в теплопередаче излучением. Поглощающая и излучающая способность отлична от способности твердых тел.

1. Двухатомные газы практически малопрозрачны. Участвуют в теплообмене – 3–х и многоатомные газы.

2. Излучательная и поглощательная способности газов избирательны, то есть поглощать и излучать они могут не весь спектр длин волн теплового излучения, а отдельные полосы спектра.

Например:

: 2.36-3.02 мкм; 4.01-4.8 мкм; 12.5-16.5 мкм.

: 2.24-3.27 мкм; 4.8-8.5 мкм; 12-25 мкм.

3. Излучение и поглощение тепловой энергии происходит не поверхностью, ограничивающей поток, а всем его объемом. Плотность излучения зависит от сечения потока, характеризуемого эффективной длиной луча

, (32)

где - объем, а - площадь поверхности, ограничивающая объем газа.

4. Плотность излучения зависит от давления или парциального давления газа.

5. От температуры зависимость плотности излучения соответствует закону Стефана – Больцмана

; (33)

Степень черноты смеси газов равна сумме степеней черноты газов

. (34)

Для решения задач теплоотдачи излучением между твердыми телами и газами принято считать, что зависимость плотности излучения от температуры соответствует закону Стефана – Больцмана.

Вносится погрешность. Она компенсируется поправкой, вводимой при определении степени черноты

(35)

Рис. 2.

4.1 Суммарная теплоотдача от продуктов горения и кладки печи к нагреваемому металлу.

- направления движения печных газов

- теплопередача излучением

- теплопередача конвекцией заготовки

Рис. 3.

Таким образом, нагреваемый металл получает тепловую энергию излучением от продуктов горения и кладки печи, и конвекцией от продуктов горения.

, или

,

где - приведенная степень черноты газа, кладка, металл.

Вынеся за скобки , имеем

(36)

Сложное слагаемое имеет то же значение, что и - коэффициент теплопередачи конвекцией и является коэффициентом теплопередачи излучением.

(37)

тогда

или, если ,

(38)

- определяется экспериментально

Рис. 4.

Лекция №5 Теплопередача теплопроводностью

Теплопроводность это процесс передачи тепла от одних частей тела к другим, обусловленный разностью температур без заметного перемещения макрочастиц. В газах – передача кинетической энергии одних молекул другим, в металлах – электронная проводимость.

3.6.1 Дифференциальное уравнение теплопередачи теплопроводностью.

Рис. 5.

Рассматриваем элемент тела с ребрами, параллельными осям координат. Предполагается одномерный тепловой поток, проходящий через элемент тела в направлении оси Х.