Основы теплопередачи - Крейт Ф.
Скачать (прямая ссылка):
Аналогичные особенности имеет и свободная конвекция (рис 1.10). Основное отличие заключается в том, что в условиях вынужденной конвекции скорость при удалении от стенки приближается к скорости набегающего потока, обусловленной внешней силой, а в условиях свободной конвекции скорость при удалении от пластины сначала возрастает, а затем под действием вязкости довольно быстро снижается до нуля, в то время как разность плотностей изменяется медленнее. Однако в конце концов подъемная сила также уменьшается, по мере того как плотность жидкости приближается к плотности окружающей среды; это вызывает повышение скорости до некоторого максимального значения, а затем ее падение до нуля на достаточно большом расстоянии от нагретой поверхности. Температурные поля при свободной и вынужденной конвекции аналогичны по
l) В тексте одним штрихом обозначена величина, приходящаяся на единицу длины, двумя штрихами —на единицу площади, тремя —на единицу объема.
Рис. 1.10. Профили скорости и температуры при свободной конвекции около нагретой пластины, отклоненной от горизонтали на угол ?.
26 Глава I
форме, и в обоих случаях механизмом переноса тепла на поверхности раздела между жидкостью и твердым телом является теплопроводность.
Проведенное обсуждение позволяет сделать вывод, что коэффициент конвективной теплоотдачи зависит от плотности, вязкости и скорости жидкости, а также от ее теплофизических свойств (коэффициента теплопроводности и удельной теплоемкости). В то время как при вынужденной конвекции движение
среды обычно создается насосом или вентилятором и его скорость можно непосредственно измерить, при свободной конвекции скорость зависит от перепада температур между стенкой и жидкостью, коэффициента теплового расширения жидкости (который определяет изменение плотности на единицу перепада температур) и силового поля, которое в системах, расположенных на земле, обусловлено просто СИ* лой тяжести.
Конвективный теплообмен также можно рассматривать в рамках концепции тепловых цепей. Исходя из соотношения (1.16), определим термическое сопротивление для конвективного переноса тепла формулой
Рис. 1.11. Тепловая цепь для теплопередачи через плоскую стенку при наличии конвекции на обеих поверхностях.
R0=XIh0A,
(1Л8)
(1.19)
й это термическое сопротивление на поверхности раздела между жидкостью и твердым телом можно легко включить в тепловую цепь. Например, на рис. 1.11 показана схема теплопередачи от внутренней среды помещения с температурой Ti через стенку во внешнюю атмосферу с температурой T0. Тепловой поток определяется соотношением
Tj-Tp _ Tj - Tg
*=3 A1+A2+A81
где R1= 1/Яс, A R2 = LjkA, Rz=\/hc,oA.
Пример 1.5. Кирпичная стена толщиной 0,1 м [k = 0,7 Вт/(м«град)] обдувается холодным ветром с температурой 270 К при коэффициенте конвективной теплоотдачи 40 Вт/(м2-град). С другой стороны стены находится неподвижный воздух с температурой 330 К при коэффициенте конвективной теплоотдачи 10 Вт/(м2-град). Рассчитать тепловой поток на единицу площади (плотность теплового потока).
Принципы теплопередачи 27
Решение. По формулам (1.19) вычисляем три термических сопротивления:
R1 = ^-= —= 0,025 град/Вт,
hCt 0А 40-1
A8 =* -^—г «= —— « 0,10 град/Вт. hfriA 10-1
Следовательно, плотность теплового потока равна
q 330 — 270
0,025 + 0,143 + 0,10
= 224 Вт/м2.
1.4. РАДИАЦИОННЫЙ ТЕПЛООБМЕН
В то время как теплопроводность и конвективный теплообмен могут осуществляться лишь в материальной среде, перенос тепла излучением может происходить даже в абсолютном вакууме. При радиационном теплообмене энергия переносится в виде электромагнитных волн, которые распространяются со скоростью света. Существует много различных видов электро-магнитного излучения (например, рентгеновские лучи), но мы будем рассматривать лишь тепловое излучение, которое переносит энергию в виде тепла.
Количество энергии, переносимое от поверхности в виде теплового излучения, зависит от абсолютной температуры и свойств поверхности. Идеальный излучатель, или абсолютно черное тело1), испускает со своей поверхности радиационный тепловой поток qr, определяемый формулой
qr = oAT\ (1.20)
qr выражается в ваттах, если площадь поверхности А выражена в квадратных метрах, температура поверхности T — в Кельвинах, а размерный коэффициент а, называемый постоянной Стефана — Больцмана, в системе единиц СИ равен 5,67-Ю-8 Вт/(м2-град4).
Соотношение (1.20) показывает, что радиационный тепловой поток, испускаемый абсолютно черной поверхностью, пропорционален четвертой степени абсолютной температуры. Хотя величина теплового потока излучения, испускаемого телом, не зависит от окружающих условий, для расчета результирующего переноса тепла излучением необходимо знать температуры поверхности двух или более тел, между которыми происходит радиационный теплообмен. Если черное тело излучает в окружающую его замкнутую полость с абсолютно черной поверхностью
1J Более подробно физический смысл этих терминов будет рассмотрен в гл. 6.
28 Глава 1
(которая полностью поглощает все падающее на нее излучение), результирующий радиационный тепловой поток определяется соотношением
