Интенсивность теплообмена

Уравнение переноса излучения (3.40) связано с системой (3.38) тем, что интенсивность собственного излучения матрицы J\0 [T(Z)] зависит от ее температуры. В настоящее время разработаны различные приближенные методы решения уравнения переноса излучения (3.40). С их использованием получены численные решения совместной задачи (3.38)— (3.40) переноса энергии излучением, конвекцией и тепло проводностью в проницаемом покрытии. Полученные результаты позволяют оценить диапазон изменения оптических характеристик матрицы, обеспечивающих ее наибольшую эффективность в том или ином конкретном случае. Так, например, выяснено, что наилучший режим работы пористого слоя как коллектора солнечной энергии достигается в том случае, когда матрица выполнена из материала, прозрачного и нерассеивающего в солнечном спектре, но непрозрачного и рассеивающего в инфракрасном диапазоне. Для теплового экрана с транспирационным охлаждением желательно обратное.

Применение закона Стефана — Больцмана для серого тела является строгим в той мере, в какой строго постоянной, не зависящей от температуры, остается степень черноты. Однако в действительности степень черноты (относительный коэффициент излучения) серого тела зависит от природы тела, температуры, состояния поверхности и в большинстве случаев определяется экспериментальным путем. Коэффицент излучения в этом случае характеризует интенсивность собственного излучения тела. Количественно коэффициент излучения равен потоку собственного излучения,

Интенсивность собственного излучения можно выразить через интенсивность абсолютно черного тела и коэффициент поглощения ах величиной /Oaxd/. Тогда изменение интенсивности излучения за счет поглощения и излучения среды выразится разностью между поглощенной энергией и энергией -излучения в слое толщиной dl (для равновесной системы), что приводит к дифференциальному уравнению (18-9). В нем, как и ранее, If — -спектральная интенсивность излучения в направлении /; /о — спектральная интенсивность излучения абсолютно черного тела при температуре среды. Индекс «X» здесь опущен ради упрощения записи. Зависимости (18-9) можно придать другой вид, учитывая, что согласно закону Кирхгофа (16-53) для поглощающей среды

Первое слагаемое определяет долю интенсивности падающего излучения /г=о, проходящего путь от 0 до /; второй член — интенсивность собственного излучения, возникающего на всем протяжении элементов среды длиной dl' и переданного от V до /, где О^'/'^/, a dl" лежит на отрезке /—V.

На основании закона Кирхгофа можно доказать, что спектральная интенсивность собственного излучения единичного газового объема в любом направлении пространства равна а^^, т. е. определяется только коэффициентом поглощения газа и спектральной интенсивностью черного излучения /ov при температуре газа.

При отсутствии внешнего излучения нагретый слой газа ведет себя как излучатель; с его граничных поверхностей в окружающее пространство излучается энергия. Последняя складывается из энергий собственного излучения каждого элементарного слоя газового объема. Однако вклад излучения различных слоев в суммарное излучение, выходящее с поверхности, неодинаков. Чем дальше расположен слой от границ, тем большая доля его излучения поглощается соседними участками и не достигает поверхности. Найдем интенсивность излучения выходящего с поверхности равномерно нагретого слоя газа в положительном направлении оси х (рис. 5-21). В этом случае интенсивность собственного излучения а^<& в основном уравнении переноса лучистой энергии (5-19) есть величина постоянная; решение этого уравнения имеет вид:

На основании закона Кирхгофа можно доказать, что спектральная интенсивность собственного излучения единичного газового объема в любом направлении пространства равна a^J^, т. е. определяется только коэффициентом поглощения газа и спектральной интенсивностью черного излучения J^ при температуре газа.

объема. Однако вклад излучения различных слоев в суммарное излучение, выходящее с поверхности, неодинаков. Чем дальше расположен слой от границ, тем большая доля его излучения поглощается соседними участками и не достигает поверхности. Найдем интенсивность излучения, выходящего с поверхности равномерно нагретого слоя газа в положительном направлении оси х (рис. 5-21). В этом случае интенсивность собственного излучения av/0v B основном уравнении переноса лучистой энергии (5-19) есть величина постоянная; решение этого уравнения имеет вид:

а) очень пологие нити (fll <; V20); в таких нитях, ввиду малости по сравнению с единицей величины (#')2> интенсивность собственного веса вдоль горизонтальной проекции нити можно принимать не по (2.44), а по (2.45). Это вносит упрощение; однако при расчете очень пологой гибкой нити необходимо учитывать ее удлинение, вызванное растяжением (усилие в нити статически неопределимо);

г) Находим интенсивность нагрузки q *, которую способна выдержать нить сверх собственного веса (погонная интенсивность собственного веса нити qs-

Зная величину 7V, нетрудно определить и спектральную интенсивность собственного излучения поверхности. Принимая во внимание (1-11) и (1-26), можно написать равенство, вытекающее из закона сохранения энергии:

На основе экспериментальных исследований 3. Ф. Чухано-вым и Е. А. Шапатиной [35] было установлено, что с уменьшением размеров отдельных частиц интенсивность теплообмена повышается, так как при этом турбулизация пограничного слоя наступает при меньших числах Re. Исследования проводились в условиях нестационарного режима путем прогрева стальных шариков с объемной пористостью т = 0,4 и измерения скорости изменения температуры газа на выхоДе из шарового слоя. Коэффициент теплоотдачи определялся при сопоставлении экспериментальных температурных кривых на выходе из слоя и теоретических кривых, подсчитанных Шуманом для разных коэффициентов теплоотдачи а.

Так как a,(/a»<0,5, то по (9-4а) интенсивность теплообмена определяется целиком вынужденным движением и а=аш= =8040 Вт/(м2-°С).

Так как 0,5<ак/аю<2, то согласно (9-4в) интенсивность теплообмена определяется как вынужденным движением жидкости, так и процессом кипения и

Согласно (9-46) интенсивность теплообмена в этом случае определяется целиком процессом кипения и

9-21. Определить значение плотности теплового потока, при котором в условиях задачи 9-20 процесс кипения жидкости начнет оказывать влияние на интенсивность теплообмена.

9-23. Определить скорость движения воды, при которой в условиях задачи 9-22 вынужденное движение начнет оказывать влияние на интенсивность теплообмена.

В промышленных условиях вследствие загрязнения котельных поверхностей нагрева интенсивность теплообмена снижается. Для учета этого полагаем [13]:

Одним из перспективных и эффективных способов интенсификации тепломассообменных процессов является использование в теплообмен-ных устройствах пористых металлов. Физическую основу этого способа составляет чрезвычайно высокая интенсивность теплообмена между проницаемой матрицей и протекающим сквозь нее теплоносителем вследствие очень развитой поверхности их соприкосновения. Практическая реализация этого способа стала возможной только после того, как развитие технологии и, в первую очередь, порошковой металлургии позволило производить разнообразные пористые материалы.

Широкий диапазон структурных, теплофизических, гидравлических, химических, оптических и других свойств пористых материалов, простота изготовления из них элементов конструкций, высокая интенсивность теплообмена — все это дает возможность использовать пористые тепло-обменные элементы в различных экстремальных условиях. Одновременно с интенсивным теплообменом с помощью пористых элементов можно реализовать процессы фильтрования, разделения фаз, дросселирования и т.д.

Представленные на рис. 3.4 данные позволяют сделать следующие выводы относительно допустимых значений параметра Stw в рассмотренном варианте подачи охладителя по нормали к входной поверхности. Нереален случай (например, для Stw = 1), когда интенсивность теплообмена на входе выше, чем интенсивность внутрипорового теплообмена (если можно так сказать о величинах различной физической природы). Существует фиксированное значение St^,, при котором теплообмен на входной поверхности оказывает такое же влияние на распределение температур в зоне тепловой стабилизации, как и внутрипоровой теплообмен. Оно соответствует случаю, когда определяемое только внутрипоровым теплообменом изменение зависимостей в и & в области стабилизированного теплообмена (z > z*) может быть продолжено до входной поверхности. Это выполняется при 2=0, откуда находим

Теплообменные устройства с испытывающим фазовое превращение теплоносителем внутри пористых элементов обладают рядом качественно новых свойств по сравнению с такими устройствами, где теплоноситель — однофазный. Одной из причин этого является особенно высокая интенсивность теплообмена при фазовом превращении теплоносителя внутри проницаемой матрицы. Структура потока и механизм теплообмена в этом процессе имеют ряд особенностей и качественно отличаются от аналогичных характеристик в каналах обычных размеров. Причиной этого является то, что размер пор значительно меньше капиллярной постоянной жидкости [a/g(p' - р")] .