Презентация Теплообмен излучением (часть 2) онлайн

Содержание слайда: ТЕПЛОМАССООБМЕН Теплообмен излучением (часть 2) 2016 год

Содержание слайда: План 1. Теплообмен излучением между твердыми телами. 2. Угловые коэффициенты излучения. 3. Расчет теплообмена излучением в системе, образованной тремя поверхностями, одна из которых является адиабатной. 4. Экраны. Действия экранов. 5. Излучение и поглощение в газах. 6. Сложный теплообмен.

Содержание слайда: 1. Теплообмен излучением между твердыми телами

Содержание слайда: Поскольку каждое тело при любой температуре испускает электромагнитные волны, при подсчете его полной энергии следует учитывать и энергию собственного излучения тела Е1. Поскольку каждое тело при любой температуре испускает электромагнитные волны, при подсчете его полной энергии следует учитывать и энергию собственного излучения тела Е1. Если со стороны других тел на данное тело падает излучение с энергией Е2, из которой А1Е2 поглощается, а (1 – А1)·Е2 отражается, то (поскольку D = 0) называют эффективным излучением тела. Эффективное излучение тела равно сумме собственного и отраженного излучений тела.

Содержание слайда: Рассмотрим методику расчета теплообмена излучением твердых тел на простейшем примере двух серых плоских параллельных пластин, температуры которых равны соответственно Т1 и Т2 (Т1 > Т2), а коэффициенты поглощения А1 и А2. Рассмотрим методику расчета теплообмена излучением твердых тел на простейшем примере двух серых плоских параллельных пластин, температуры которых равны соответственно Т1 и Т2 (Т1 > Т2), а коэффициенты поглощения А1 и А2. Будем считать расстояние между пластинами таким, что излучение каждой из них полностью достигает другой.

Содержание слайда: Величина теплообмена излучением между пластинами равна: Величина теплообмена излучением между пластинами равна: где – мощность теплового потока излучением. Решая систему уравнений (2) относительно Еэф1 и Еэф2, подставив вместо интегральных плотностей излучения Е1 и Е2 их выражения из закона Стефана–Больцмана и введя вместо коэффициентов поглощения А1 и А2 соответственно коэффициенты черноты для серых тел ε1 и ε2 (так как А = ε), получим после преобразований

Содержание слайда: где Qи – тепловой поток излучения. Здесь а величина

Содержание слайда: Приведенный коэффициент излучения представляет собой количество энергии, перенесенной излучением от 1-й пластины ко 2-й за 1 с при условии, что поверхность каждой пластины равна 1 м2, а температурный множитель – 1 К. Приведенный коэффициент излучения представляет собой количество энергии, перенесенной излучением от 1-й пластины ко 2-й за 1 с при условии, что поверхность каждой пластины равна 1 м2, а температурный множитель – 1 К. Следовательно, формулу (3) можно переписать в следующем виде: или Значит, для повышения интенсивности теплообмена излучением надо увеличить εпр и θ, т.е. степень черноты участвующих в теплообмене поверхностей и разность их температур.

Содержание слайда: 2. Угловые коэффициенты излучения

Содержание слайда: Определим угловой коэффициент излучения с некоторой k-й (излучающей) зоны на некоторую i-ю (лучевоспринимающую) зону. Определим угловой коэффициент излучения с некоторой k-й (излучающей) зоны на некоторую i-ю (лучевоспринимающую) зону. Выделим в пределах этих зон элементарные участки dFk (dF1) и dFi (dF2), назовем направление соединяющей их прямой направлением наблюдения и введем следующие обозначения:

Содержание слайда: r – расстояние между элементарными участками; r – расстояние между элементарными участками; θk (θ1) и θi (θ2) – углы между нормалями к этим участкам и направлением наблюдения; Найдем поток падающий с участка dFk (dF1) на dFi (dF2).

Содержание слайда: Используя понятия угловой плотности и яркости эффективного излучения, допущение о диффузном характере эффективного излучения и условие постоянства плотности потока эффективного излучения в пределах k-й зоны, получим Используя понятия угловой плотности и яркости эффективного излучения, допущение о диффузном характере эффективного излучения и условие постоянства плотности потока эффективного излучения в пределах k-й зоны, получим

Содержание слайда: Интегрируя элементарный поток по поверхностям Fk и Fi, найдем полную величину потока излучения, падающего с k-й на i-ю зону Интегрируя элементарный поток по поверхностям Fk и Fi, найдем полную величину потока излучения, падающего с k-й на i-ю зону откуда следует выражение для искомого углового коэффициента Из формулы (1) следует, что в диффузном приближении угловые коэффициенты излучения зависят только от размеров, формы и взаимного расположения зон, т.е. являются чисто геометрическими параметрами системы.

Содержание слайда: Угловые коэффициенты являются геометрической характеристикой теплообменивающейся системы. Угловые коэффициенты являются геометрической характеристикой теплообменивающейся системы. Угловым коэффициентом излучения называется отношение части потока эффективного излучения k-й зоны, попадающей на i-ю зону к полной величине потока эффективного излучения k-й зоны: Другими словами, угловой коэффициент излучения * показывает, какая доля эффективного излучения k-й зоны падает на i-ю зону. Угловые коэффициенты излучения обладают рядом свойств, важнейшими из которых являются следующие:

Содержание слайда: Свойство взаимности: Свойство взаимности: Если рассматриваемая система находится в состоянии термодинамического равновесия, из законов термодинамики следует, что для каждой пары зон Найдем связь между коэффициентом излучения серого тела С и коэффициентом излучения для абсолютно черного тела с0:

Содержание слайда: Свойство замкнутости: Свойство замкнутости: является следствием закона сохранения энергии и заключается в том, что в замкнутой системе сумма угловых коэффициентов с какой-либо поверхности на все остальные (включая ее самое) равна единице. Свойство невогнутости: заключается в том, что плоское или выпуклое тело не может излучать само на себя.

Содержание слайда: Свойство аддитивности: Свойство аддитивности: заключается в том, что если поверхность k состоит из n зон, так что То все угловые коэффициенты взаимно независимы и суммируются в обычном арифметическом смысле.

Содержание слайда: Для системы, состоящей из двух параллельных бесконечных пластин 1 и 2 (рис. а), аналогичной рабочему пространству современных протяженных печей, печей с шагающим подом с плоским сводом и т. п., очевидно, что по свойству невогнутости: Для системы, состоящей из двух параллельных бесконечных пластин 1 и 2 (рис. а), аналогичной рабочему пространству современных протяженных печей, печей с шагающим подом с плоским сводом и т. п., очевидно, что по свойству невогнутости: Тогда по свойству замкнутости: или с учетом соотношения (6)

Содержание слайда: Схемы б и в характерны для электропечей сопротивления. Схемы б и в характерны для электропечей сопротивления. Схема г – для секционных электропечей. Эти схемы аналогичны с точки зрения геометрии излучения. В обоих случаях по свойству невогнутости И по свойству замкнутости Теперь по свойству взаимности можно записать

Содержание слайда: С учетом свойства замкнутости для поверхности 2 запишем С учетом свойства замкнутости для поверхности 2 запишем откуда

Содержание слайда: 3. Расчет теплообмена излучением в системе, образованной тремя поверхностями, одна из которых является адиабатной

Содержание слайда: Рассмотрим замкнутую систему, образованную тремя поверхностями. Рассмотрим замкнутую систему, образованную тремя поверхностями. Пусть температуры первой и второй поверхностей имеют заданные значения Т1 и Т2, а третья поверхность является адиабатной: Участие адиабатной поверхности в радиационном теплообмене (теплообмене излучением) заключается в том, что она поглощает часть падающего на нее излучения, но полностью компенсирует эту часть собственным излучением, так что

Содержание слайда: Будем считать, что в пределах каждой из указанных поверхностей их степень черноты, температуры и плотности потоков эффективного излучения имеют постоянные значения. Будем считать, что в пределах каждой из указанных поверхностей их степень черноты, температуры и плотности потоков эффективного излучения имеют постоянные значения. Геометрическая конфигурация системы описывается известными коэффициентами излучения Требуется рассчитать потоки результирующего излучения и температуру Т3. Отметим, что достаточно определить поток результирующего излучения на первой поверхности

Содержание слайда: Запишем зональные уравнения относительно потоков эффективного излучения для первой и второй поверхности (зон I-го рода) Запишем зональные уравнения относительно потоков эффективного излучения для первой и второй поверхности (зон I-го рода) Для третьей адиабатной поверхности (зоны II-го рода) Откуда следует, что

Содержание слайда: Подставим выражение (2) в уравнения (1), после алгебраических преобразований получим систему уравнений: Подставим выражение (2) в уравнения (1), после алгебраических преобразований получим систему уравнений: где – приведенные угловые коэффициенты излучения в системе двух поверхностей, учитывающие переизлучение на третьей (адиабатной) поверхности.

Содержание слайда: Зоны I-го рода, для которых по условию заданы температуры, а требуется определить потоки результирующего излучения. Зоны I-го рода, для которых по условию заданы температуры, а требуется определить потоки результирующего излучения. Зоны II-го рода, для которых заданные значения имеют потоки результирующего излучения, а определению подлежат температуры. Зоны III-го рода, для которых на основании уравнений теплового баланса устанавливают связи между потоками результирующего излучения и температурами.

Содержание слайда: Система уравнений (3) отличается от системы уравнений, описывающей радиационный теплообмен в замкнутой системе, образованной двумя поверхностями, только тем, что вместо исходных угловых коэффициентов излучения в зональных уравнениях фигурируют приведенные угловые коэффициенты излучения. Система уравнений (3) отличается от системы уравнений, описывающей радиационный теплообмен в замкнутой системе, образованной двумя поверхностями, только тем, что вместо исходных угловых коэффициентов излучения в зональных уравнениях фигурируют приведенные угловые коэффициенты излучения. Запишем выражение для потока результирующего излучения на первой поверхности где – приведенная степень черноты рассматриваемой системы.

Содержание слайда: В данном случае интенсивность радиационного теплообмена пропорциональна разности четвертых степеней первых двух поверхностей, а конкретные оптико-геометрические особенности системы, включая наличие третьей адиабатной поверхности, влияют лишь на приведенную степень черноты. В данном случае интенсивность радиационного теплообмена пропорциональна разности четвертых степеней первых двух поверхностей, а конкретные оптико-геометрические особенности системы, включая наличие третьей адиабатной поверхности, влияют лишь на приведенную степень черноты. Для расчета температуры адиабатной поверхности необходимо по формуле (2) найти поток эффективного излучения и используя соотношение из этого соотношения следует, что

Содержание слайда: Полученные результаты свидетельствуют о независимости интенсивности радиационного теплообмена от степени черноты адиабатной поверхности. Полученные результаты свидетельствуют о независимости интенсивности радиационного теплообмена от степени черноты адиабатной поверхности. Это объясняется тем, что изменение ε3 приводит к одинаковому (в сером приближении) изменению потоков собственного и поглощенного излучения, так что величина потока эффективного излучения адиабатной поверхности остается неизменной. В качестве примера проведем расчет потерь тепла излучением через окно в стенке печи.

Содержание слайда: Обозначим через Т1 температуру окружающей среды, Т2 – эффективную температуру рабочего пространства печи и припишем эти температуры воображаемым абсолютно черным поверхностям, замыкающим оконный проем с наружной и внутренней стороны. Обозначим через Т1 температуру окружающей среды, Т2 – эффективную температуру рабочего пространства печи и припишем эти температуры воображаемым абсолютно черным поверхностям, замыкающим оконный проем с наружной и внутренней стороны. Потери тепла через окно выражаются в этом случае потоком результирующего излучения в замкнутой системе, образованной тремя поверхностями: двумя абсолютно черными и третьей (адиабатной) – внутренней поверхностью футеровки. Подставив в выражение (5) для приведенной степени черноты значения ε1 = ε2 =1, получим

Содержание слайда: С учетом свойств угловых коэффициентов излучения и соображений симметрии несложно показать, что приведенный угловой коэффициент излучения , который в данном случае называется коэффициентом диафрагмирования и обозначается через Ф, равен С учетом свойств угловых коэффициентов излучения и соображений симметрии несложно показать, что приведенный угловой коэффициент излучения , который в данном случае называется коэффициентом диафрагмирования и обозначается через Ф, равен Тогда по формуле (4) окончательно получим где F1 – площадь наружной поверхности окна. Исходный коэффициент излучения φ12 в выражении (7) зависит от толщины стенки, формы и размеров отверстия. В рассматриваемой задаче коэффициент диафрагмирования Ф является функцией только геометрических размеров и формы окна.

Содержание слайда: 4. Экраны. Действия экранов

Содержание слайда: Когда необходимо уменьшить передачу теплоты лучистым потоком, прибегают к установке экранов. Когда необходимо уменьшить передачу теплоты лучистым потоком, прибегают к установке экранов. Обычно экран представляет собой тонкий металлический лист с большой отражательной способностью. Температуры обеих поверхностей экрана можно считать одинаковыми. Рассмотрим действие экрана между двумя плоскими безграничными параллельными поверхностями, причем передачей теплоты конвекцией пренебрегаем.

Содержание слайда: Поверхности стенок и экрана считаем одинаковыми. Поверхности стенок и экрана считаем одинаковыми. Температуры стенок Т1 и Т2 поддерживаются постоянными, причем Т1 > Т2. Допускаем, что коэффициенты излучения стенок и экрана равны между собой. Тогда приведенные коэффициенты излучения между поверхностями без экрана, между первой поверхностью и экраном, экраном и второй поверхностью равны между собой. Поверхностную плотность теплового потока излучением, передаваемую от первой поверхности ко второй (без экрана), определяем из уравнения:

Содержание слайда: Поверхностную плотность теплового потока излучением, передаваемую от первой поверхности к экрану, находим по формуле: Поверхностную плотность теплового потока излучением, передаваемую от первой поверхности к экрану, находим по формуле: а от экрана ко второй поверхности – по уравнению

Содержание слайда: При установившемся тепловом равновесии q1 = q2, поэтому При установившемся тепловом равновесии q1 = q2, поэтому Откуда Подставляя полученную температуру экрана в любое из уравнений для плотности теплового потока излучением, получаем:

Содержание слайда:

Содержание слайда: 5. Излучение и поглощение в газах

Содержание слайда: Это объясняется тем, что газы излучают и поглощают свободными молекулами, а твердые тела – огромным числом связанных молекул. Это объясняется тем, что газы излучают и поглощают свободными молекулами, а твердые тела – огромным числом связанных молекул. Уровни энергии электронов в свободных молекулах имеют вполне определенные для каждого вещества значения. При переходе электронов с одного уровня на другой каждый элемент поглощает или излучает фотон определенной энергии (или длины волны).

Содержание слайда: Когда же несколько молекул образуют твердое тело, электроны каждой из них находятся под действием сил со стороны соседних атомов, а это приводит к тому, что некоторые энергетические уровни становятся размытыми или перекрывают друг друга. Когда же несколько молекул образуют твердое тело, электроны каждой из них находятся под действием сил со стороны соседних атомов, а это приводит к тому, что некоторые энергетические уровни становятся размытыми или перекрывают друг друга. Таким образом, в излучении и поглощении твердого тела участвуют электроны не каких-то определенных энергий, а всех возможных.

Содержание слайда: Трехатомные и многоатомные газы обладают излучательно-поглощательной способностью в определенном диапазоне длин волн. Трехатомные и многоатомные газы обладают излучательно-поглощательной способностью в определенном диапазоне длин волн. Например: основные продукты сгорания органического топлива СО2 и Н2О имеют в своем спектре три полосы в диапазоне волн Δλ = 2,24 ÷ 30 мкм. Другой особенностью теплообмена излучением в газах является излучение и поглощение молекул всей массы газа, а не какой-то определенной поверхности, как это свойственно твердым телам. Эта особенность газов серьезно затрудняет расчет теплообмена излучением и делает его весьма приближенным.

Содержание слайда: Для ориентировочного расчета излучения газов в пустоту можно использовать уравнение Стефана–Больцмана Для ориентировочного расчета излучения газов в пустоту можно использовать уравнение Стефана–Больцмана для газов коэффициенты черноты εг (или Аг = εг) зависят: от температуры Тг; от парциального давления данного газа в смеси рiг; от пути пробега излучения lи, который часто бывает равен толщине слоя газа δг:

Содержание слайда: Функция (2) для различных газов имеет различный вид, но в любом случае, если ее ввести в уравнение (1), окажется, что интегральная плотность излучения Ег будет пропорциональна уже не Т4, а Тn, где n < 4. Например: для СО2 n = 3,5, а для Н2О n = 3. Так, для Н2О при lи = 0,06 ÷ 0,8 м и t = 400 ÷ 1300 °С В технических расчетах пользуются аналогичными эмпирическими формулами, справедливыми в определенных условиях.

Содержание слайда: Степень черноты смеси газов определяется с помощью специальных графиков. Степень черноты смеси газов определяется с помощью специальных графиков.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Для смеси Н2О (пар) и СО2 коэффициент черноты εг приближенно вычисляется по формуле: Для смеси Н2О (пар) и СО2 коэффициент черноты εг приближенно вычисляется по формуле: где β и – поправочный множитель, зависящий от парциального давления паров Н2О. β = 1,1 ÷ 1,6 при рг = (0,1 ÷ 1)·105 и lирг = (0 ÷ 300) кПа·м.

Содержание слайда: В реальных условиях газ бывает окружен оболочкой (стенки топки, камеры сгорания и т.п.). Расчет теплообмена между газами и оболочкой можно производить по формуле: В реальных условиях газ бывает окружен оболочкой (стенки топки, камеры сгорания и т.п.). Расчет теплообмена между газами и оболочкой можно производить по формуле: Здесь: – эффективная (приведенная) степень черноты оболочки; при Аг – коэффициент поглощения газа при температуре стенок оболочки; Тг и Тс – соответственно температура газа и стенок оболочки.

Содержание слайда: В продуктах сгорания помимо чистых газов (СО2, Н2О и т.п.), излучение которых находится в инфракрасной части спектра, обычно содержатся раскаленные твердые частицы – горючее, зола, примеси и т.п. В продуктах сгорания помимо чистых газов (СО2, Н2О и т.п.), излучение которых находится в инфракрасной части спектра, обычно содержатся раскаленные твердые частицы – горючее, зола, примеси и т.п. Они придают пламени видимую окраску, и коэффициент черноты ε такого пламени резко увеличивается, достигая значений 0,6 – 0,7. Поэтому при факельном сжигании мелкоразмолотого горючего в топках котлов основное количество теплоты передается излучением пламени и светящихся газов.

Содержание слайда: 6. Сложный теплообмен

Содержание слайда: Количественной характеристикой процесса теплообмена от газа к стенке (или наоборот) является суммарный коэффициент теплоотдачи Количественной характеристикой процесса теплообмена от газа к стенке (или наоборот) является суммарный коэффициент теплоотдачи где αк – коэффициент конвективной теплоотдачи учитывающий передачу теплоты теплопроводностью и конвекцией, а αи – коэффициент учитывающий передачу теплоты излучением. Плотность теплового потока рассчитываемого теплового аппарата определяется по закону Ньютона–Рихмана где α – суммарный коэффициент теплоотдачи.

Содержание слайда: Суммарный коэффициент теплоотдачи входит в уравнение коэффициента теплопередачи. Суммарный коэффициент теплоотдачи входит в уравнение коэффициента теплопередачи. Уравнение коэффициента теплопередачи для плоской стенки в этом случае примет вид: При решении задач под α1 или α2 будем обозначать суммарный коэффициент теплоотдачи, учитывающий конвекцию, теплопроводность и излучение.