Основные понятия и определения. Основные законы теплового излучения. Теплообмен излучением между твердыми телами. Защита от теплового излучения. Тепловое излучение газов.

Методические указания

Прежде всего уясните принципиальную разницу между теплообменом излучением и двумя уже известными видами теплообмена –теплопроводностью и конвекцией.

В процессе теплообмена излучением происходит двойное превращение энергии – внутренняя энергия превращается в энергию электромагнитных волн, которые, попадая на другое тело, вновь превращаются во внутреннюю энергию этого тела. Разберитесь в количественном соотношении между поглощенной, отраженной и пропущенной сквозь тело энергией электромагнитного излучения. А поняв это, можно будет управлять тепловым излучением в нужном для практики направлении. Так, например, при защите объектов от лучистой энергии на пути ее распространения ставят экраны, максимально отражающие лучистую энергию. Если максимальный нагрев необходим за счет лучистой энергии, объекту необходимо придать такие свойства, при которых осуществляется максимум поглощения лучистой энергии (покрытие краской, шероховатость и др.). Для получения максимальной пропускающей способности лучистой энергии (например, света) необходимо выбрать стенку с соответствующими свойствами. Основные законы излучения и экспериментальные данные по свойствам отдельных тел дают возможность решать конкретные задачи, связанные с лучистым теплообменом. Поэтому необходимо усвоить законы Планка, Вина, Кирхгофа, Стефана – Больцмана, методику и границы их применения. Практически в теплообмене участвуют одновременно все три его вида, поэтому при решении конкретных задач нужно различать «весомость» того или иного вида теплообмена, с тем чтобы уметь сознательно упрощать решение задач с допускаемой погрешностью.

Вопросы для самопроверки

1. Какие длины волн характерны для тепловых лучей? 2. Что такое абсолютно черное, абсолютно белое и диатермичное тело? 3. Что такое лучистый поток, излучательность, спектральная излучательность? В каких единицах их выражают? 4. Сформулируйте законы теплового излучения. 5. Что такое «эффективное излучение»? Чем оно отличается от собственного излучения? 6. Как определяют лучистый поток между параллельными плоскими стенками? Чему равен приведенный коэффициент излучения для этого случая? 7. Как определяют лучистый поток при расположении одного тела внутри другого? Чему равен приведенный коэффициент излучения для этого случая? 8. Для чего нужны экраны и какими свойствами они должны обладать? 9. Что такое сплошной и селективный спектры излучения? 10. Каковы особенности излучения газов по сравнению с твердыми телами? 11. Какие газы излучают и поглощают энергию излучения? 12. Как определяют коэффициент черноты газовой среды?

Т е м а 5. Сложный теплообмен. Теплообменные аппараты

Сложный теплообмен. Суммарный коэффициент теплоотдачи. Типы теплообменных аппаратов. Уравнение теплового баланса и теплопередачи. Основные схемы движения теплоносителей. Среднеарифметический и среднелогарифмический напоры. Основы теплового расчета рекуперативных теплообменных аппаратов. Методы интенсификации теплообмена в рекуперативных теплообменниках.

Методические указания

Обычно передача теплоты от теплоносителя с высокой температурой к теплоносителю с низкой температурой происходит через разделительную стенку. В этом процессе, как правило, участвуют все виды теплообмена – теплопроводность, конвекция и излучение, которые были изучены в предыдущих темах. Теплообмен, учитывающий все виды теплообмена, называется сложным. Практически сложность теплообмена выражается в суммарном коэффициенте теплоотдачи α_Σ, который в силу независимости по своей природе излучения и конвективного теплообмена представляет собой сумму обоих видов теплового воздействия, а именно:

α _Σ = α_к+ α_и  

Нужно уметь оценить, какой из видов теплообмена является превалирующим. Для этого уже известными методами определяют α_к, а коэффициент теплоотдачи за счет излучения может быть оценен по формуле

                       α_и = 0,23 • ε [ (Т_г +Т_ст  ) / 2 ]

где ε – приведенный коэффициент черноты системы; Т_г и Т_ст – температура газа и стенки соответственно.

Теплообменными аппаратами называют всякое устройство, в котором осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Уясните классификацию аппаратов по принципу действия, обратив внимание на рекуперативные теплообменники как наиболее распространенные. Научитесь изображать схематично для рекуперативного теплообменника характер изменения температур рабочих жидкостей в функции поверхности нагрева для случаев прямотока и противотока в зависимости от соотношения между водяными эквивалентами.

Запомните, в каких случаях необходимо применение среднелогарифмического температурного напора, а в каких случаях можно ограничиться среднеарифметическим температурным напором.

Поймите основной принцип расчета теплообменного аппарата, связанный с уравнением теплоотдачи и уравнением теплового баланса. Особое внимание обратите на особенности теплообменников, в которых происходит изменение агрегатного состояния одного из теплоносителей (испарение или конденсация), уяснив, почему в этих случаях направление тока не влияет на эффективность работы теплообменника. Нужно понять, почему для вычисления среднелогарифмического напора независимо от схемы включения (прямоток или противоток) справедлива формула  

                      Δt_cр.лог = ( Δt_б –  Δt_м ) ∕  ln (Δt_б ∕  Δt_м )

где Δt_б,  Δt_м – наибольший и наименьший температурный напор соответственно.

Разберитесь в методах интенсификации теплообмена в рекуперативных теплообменных аппаратах и для чего нужна интенсификация.

Вопросы для самопроверки

l. Что называют сложным теплообменом? 2. Почему возможно суммировать коэффициент теплоотдачи, определяемой конвективным теплообменом, и коэффициент теплоотдачи, определяемый излучением? 3. Что называют теплообменным аппаратом и какие существуют типы аппаратов? 4. Как составляют тепловой баланс и уравнение теплопередачи для рекуперативного теплообменника? 5. Почему рекуперативный теплообменник с противоточной схемой при одинаковой начальной температуре холодной жидкости всегда компактнее, чем теплообменник с прямоточной схемой включения? 6. В каких случаях необходимо вычислять среднелогарифмический температурный напор? Когда можно применять среднеарифметический температурный напор? 7. Как проводится усреднение коэффициента теплопередачи? 8. Что является целью конструктивного теплового расчета рекуперативного теплообменника, а что является целью проверочного расчета? 9. Для чего нужно стремиться к интенсификации теплопередачи в теплообменниках и каковы методы интенсификации? 10. В чем особенность рекуперативных теплообменников, в которых один из теплоносителей изменяет свое агрегатное состояние? 11. Какая формула применяется для определения среднелогарифмического температурного напора независимо от схемы «прямоток» или «противоток»? 12. Почему, несмотря на габаритные преимущества схемы «противоток», на практике находит применение схема «прямоток»?