Модуль V.

Раздел II. Теория теплообмена

Тема 2.1 Основные понятия и определения. Лучистый теплообмен.

В теории теплообмена изучаются процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Существуют три основных вида переноса теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводность представляет собой процесс распространения теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой. Структурные частицы более нагретой части тела, сталкиваясь в результате беспорядочного движения с окружающими частицами, передают им часть своей кинетической энергии. Этот процесс постепенно распространяется по всему телу и сопровождается выравниванием температуры всей его массы.

Конвекция осуществляется путем перемещения в пространстве неравномерно нагретых объемов жидкостей, газов или сыпучих тел. Конвективный перенос теплоты неразрывно связан с переносом массы.

Тепловое излучение характеризуется превращением теплоты нагретого тела в энергию электромагнитных волн. Распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны могут поглощаться другими телами и вновь превращаться в теплоту.

Рассмотренные виды переноса теплоты во многих случаях осуществляются совместно. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, так как при этом неизбежно соприкосновение частиц, имеющих различные температуры. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между твердой поверхностью и жидкостью или газом называется теплоотдачей. Теплоотдача может сопровождаться тепловым излучением. В этом случае сложный процесс теплообмена осуществляется совокупностью одновременно протекающих процессов теплопроводности, конвекции и теплового излучения.

Теплообмен в жидких и газовых смесях сопровождается переносом одного вещества в другое, т.е. массообменом. Если теплообмен характеризуется выравниванием температуры, то массообмен проявляется в установлении равновесной концентрации вещества. Совместное протекание процессов теплообмена и массообмена называется тепломассообменом.

Тепловое излучение представляет собой процесс распространения в пространстве внутренней энергии излучающего тела в виде электромагнитных волн. Возбудителями этих волн являются электрически заряженные материальные частицы, входящие в состав вещества. Для распространения электромагнитных волн не требуется материальной среды, в вакууме они распространяются со скоростью света и характеризуются длиной волны λ или частотой колебаний ν. При температурах до 1500° С основная часть энергии соответствует инфракрасным и частично световым лучам (λ = 0,7… 50 мк).

Следует отметить, что энергия излучения испускается не непрерывно, а в виде определенных порций – квантов энергии. Носителями этих порций энергии являются элементарные частицы излучения – фотоны, обладающие энергией, количеством движений и электромагнитной массой. При попадании на другие тела энергия излучения частично поглощается ими, частично отражается и частично проходит насквозь. Процесс превращения энергии излучения во внутреннюю энергию поглощающего тела называется поглощением. Большинство твердых и жидких тел излучают энергию всех длин волн в интервале от 0 до ∞, т.е. имеют сплошной спектр излучения. Газы излучают энергию только в определенных интервалах длин волн (селективный спектр излучения). Твердые тела излучают и поглощают энергию поверхностью, а газы – объемом.

Излучаемая в единицу времени энергия, соответствующая очень узкому интервалу изменения длин волн от λ до dλ, который можно характеризовать данным значением длины волны λ, называется потоком монохроматического излучения Q_λ. Поток излучения, соответствующий всему спектру в пределах от 0 до ∞, называется интегральным, или полным лучистым, потоком Q. Поток, излучаемый с единицы поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства, называется плотностью интегрального излучения.

Каждое тело не только излучает, но и поглощает лучистую энергию. Из всего количества падающей на тело лучистой энергии Е_пад (Q_пад ) часть ее Е_пог (Q_пог) поглощается, часть Е_отр (Q_отр) отражается и часть Е_пр (Q_пр) проходит сквозь тело. Следовательно,

Е _пад = Е_пог + Е_отр + Е_пр.

Обозначим:

где А – коэффициент поглощения; R – коэффициент отражения; D – коэффициент пропускания. Тогда A + R + D = 1.

Если тело поглощает все падающие на него лучи, т.е. A = 1, R = 0, D = 0, то оно называется абсолютно черным. Когда вся падающая на тело энергия отражается, R = 1, А = 0, D = 0. Если при этом отражение подчиняется законам геометрической оптики, то тело называется зеркальным; при диффузном отражении, когда отраженная лучистая энергия рассеивается по всем направлениям, – абсолютно белым. Если D = 1, А = 0, 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, определяемого свойствами излучающего тела и температурой, отражает падающую на него энергию, т.е.

Е _отр = RЕ_пад.