Основы теплопередачи в химической аппаратуре общие сведения

Закон Стефана—Больцмана. Количество энергии, излучаемое телом в единицу времени во всем интервале длин волн (от =0 до ) единицей поверхности F тела, характеризует лучеиспускателную способность Е тела: где Q — энергия, излучаемая телом. Лучеиспускательная способность, отнесенная к длинам волн от до , т. е. к интервалу длин волн , называется интенсивностью излучения и выражается отношением Проинтегрировав последнее выражение, можно установить связь между лучеиспускательной способностью и интенсивностью излучения: Планком теоретически получена следующая зависимость общей энергии теплового (температурного) излучения от абсолютной температуры и длины волн: где Т — абсолютная температура, °К. Входящие в уравнение (19) константы могут быть приняты равными: С1 = 3,22*10-16 вт/м2 [3,74*10-16 ккал/(м2 *ч)] и С2 = 1,24*10-2 вт/м2 [1,438*10-2 (ккал/м2*ч) ]. Площадь под каждой из кривых на рис. 6 выражает общую удельную энергию излучения (т. е. приходящуюся на единицу поверхности в единицу времени) для всего спектра длин волн. Уравнение (19) после преобразования, разложения знаменателя в ряд и последующего интегрирования приводит к сходящемуся ряду, вычисление суммы членов которого позволяют выразить полную энергию излучения, или лучеиспускательную способность абсолютно черного тела: (20) где Т — абсолютная температура поверхности тела, °К; K0=5,67*10-8 вт/(м2*°К4) [4,87*10-8 ккал/(м2* ч*°К4)] — константа лучеиспускания абсолютно черного тела. Рис. 6. Зависимость I от и Т по уравнению Планка. Рис. 7. К выводу закона Кирхгофа. Уравнение (20) носит название закона Стефана— Больцмана, который является, таким образом, следствием уравнения (закона) Планка. Согласно закону Стефана—Больцмана, лучеиспускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры его поверхности. Для того чтобы избежать оперирования с большими значениями Т4, в технических расчетах множитель 10-8 относят к величине Т и уравнение (20) используют в несколько ином выражении: где С0 = K0*108= 5,67 вт/(м2* °К4) = 4,96 ккал/( м2*ч*°К4) — коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела. Закон Стефана—Больцмана применим также к серым телам, для которых он принимает вид где =С/С0 — относительный коэффициент лучеиспускания, или степень черноты серого тела; С — коэффициент лучеиспускания серого тела. Значения е всегда меньше единицы и колеблются от 0,055 (алюминий необработанный при 20 ) до 0,95 (резина твердая при 20 ); для листовой углеродистой стали 0,82 при 25 . Степень черноты зависит не только от природы материала, его окраски и температуры, но также от состояния его поверхности (полированная или шероховатая). Значения приводятся в справочной и специальной литературе. Закон Кирхгофа. Для серых тел необходимо знать зависимость между их излучательной и поглощательной способностью. Рассмотрим параллельно расположенные (рис. 7) серое тело I и абсолютно черное тело II и примем, что все лучи, испускаемые поверхностью одного тела, падают на поверхность другого. Обозначим поглощательную способность серого тела QПОГЛ/QЛ=A1 . Для абсолютно черного тела A2=A0=1. Пусть температура серого тела выше, чем абсолютно черного, т. е, T1T2. Тогда количество тепла (на единицу поверхности в единицу времени), переданного серым телом путем излучения, составляет q=E1-E0A1 При выравнивании температур обоих тел должно наступить тепловое равновесие, при котором q=0 и, следовательно E1-E0A1=0 откуда Обобщая этот вывод, для ряда взаимно параллельных тел получим Зависимость (22) выражает закон Кирхгофа, согласно которому отношение лучеиспускательной способности любого тела к его лучепоглощательной способности при той же температуре является величиной постоянной, равной лучеиспускательной способности абсолютно черного тела. Тепловые лучи, попадая на шероховатую поверхность, многократно отражаются от нее, что приводит к лучшему поглощению лучистой энергии по сравнению с поглощением гладкой поверхностью. Тогда, в соответствии с законом Кирхгофа, шероховатые поверхности должны обладать также большей лучеиспускательной способностью, чем гладкие. Наоборот, лучеиспускательная способность полированных поверхностей, хорошо отражающих падающие на них лучи, в согласии с законом Кирхгофа, должна быть низкой. Взаимное излучение двух твердых тел. Количество тепла QЛ передаваемого посредством излучения от более нагретого твердого тела, имеющего температуру T1 K, к менее нагретому телу с температурой T2 K, определяется по уравнению где F — поверхность излучения; — время; С1-2 — коэффициент взаимного излучения; ПР — средний угловой коэффициент, который определяется формой и размерами участвующих в теплообмене поверхностей, их взаимным расположением в пространстве и расстоянием между ними. Коэффициент взаимного излучения С1-2=ПРС0, где ПР — приведенная степень черноты, равная произведению степеней черноты обменивающихся лучистым теплом тел 12. Значения углового коэффициента приводятся в справочной и специальной литературе. Если тело, излучающее тепло, заключено внутри другого (например, нагретый аппарат находится внутри помещения), то = 1. В этом случае коэффициент взаимного излучения выражается уравнением В выражении (24) все члены с индексом «1» относятся к более нагретому телу, расположенному внутри другого, а члены с индексом «2» — к телу, поверхность которого окружает первое тело. Если излучающие поверхности равны и параллельны, то значение С1-2=ПРC0 определяют на основе уравнения (24), подставляя в него F1=F2. Если поверхность излучения более нагретого тела значительно меньше замкнутой вокруг него поверхности излучения другого тела, т. е. F1F2, то вычитаемым в знаменателе можно пренебречь и тогда С1-2=С1 (коэффициенту излучения более нагретого тела). Для того чтобы ослабить лучистый теплообмен между телами или организовать защиту от вредного влияния сильного излучения, используют перегородки — экраны, изготовленные из хорошо отражающих лучи материалов. Экраны располагают между поверхностями обменивающихся лучистой энергией тел. Использование экранирования позволяет весьма эффективно снизить количество тепла, передаваемого менее нагретой поверхности путем излучения. Рассмотрим параллельные плоские поверхности с температурами T1 и T2 (T1T2), между которыми (параллельно поверхностям) помещен экран, имеющий температуру TЭ °К. Условно примем, что степень черноты е всех трех поверхностей одинакова. Тогда при установившемся процессе количество тепла, передаваемого излучением от более нагретой поверхности к экрану (Q1-Э), равно количеству тепла, переносимого от экрана к менее нагретой поверхности (QЭ-2)Следовательно, согласно уравнению (23) при = 1 (параллельные плоскости), имеем: Учитывая, что при равных коэффициенты взаимного излучения также равны, т. е. С1-Э=СЭ-2 и проводя сокращения, получим Подставляя значение в выражение Q1-Э, находим Если бы экрана не было, то количество тепла, передаваемое излучением непосредственно от поверхности I к поверхности II, составило бы Сопоставляя выражения (А) и (Б), заключаем, что при наличии экрана количество тепла, передаваемое излучением поверхности II, уменьшилось вдвое. Обобщая этот вывод, можно считать, что при установке n подобных экранов количество передаваемого тепла должно уменьшиться в n+1 раз. В случае малой степени черноты материала экрана количество тепла уменьшилось бы еще больше. Лучеиспускание газов. Излучение газов существенно отличается от излучения твердых тел. Одноатомные газы (He, Ar и др.), а также многие двухатомные газы (Н2, O2, N2 и т. д.) прозрачны для тепловых лучей, т. е, являются диатермичными. Вместе с тем ряд имеющих важное техническое значение многоатомных газов и паров (СO2, SO2, NH3, Н2О и др.) могут поглощать лучистую энергию в определенных интервалах длин волн. В соответствии с законом Кирхгофа эти газы обладают излучательной способностью в тех же интервалах длин волн. Кроме того, в отличие от твердых тел газы излучают не с поверхности, а из объема слоя газа. При излучении двух газов в одной и той же полосе спектра излучение одного из газов частично поглощается другим. Энергия, излучаемая газом, пропорциональна толщине его слоя l, концентрации или парциальному давлению излучающего газа в газовой смеси p и температуре газа TГ °К. Таким образом, для каждой из полос спектра , количество излучаемой газом энергии Общая лучеиспускательная способность газов (суммарная для всех полос спектра) не пропорциональна 4-й степени его абсолютной температуры, как в случае твердых тел. Так, для паров воды , для двуокиси углерода и т. д. Однако в технических расчетах принимают, что газы следуют закону Стефана—Больцмана (отклонения учитывают степенью черноты газа ). Тогда где — отношение общего количества энергии, излучаемой газом, к той же величине для абсолютно черного тела при температуре газа. Значения для различных газов в виде графиков зависимости от температуры Т и параметра pl приводятся в справочной и специальной литературе. Уравнение (25) получено для излучения газа в пустоте при 0 °К. В действительности газ окружен поверхностью твердого тела — оболочкой, обладающей собственным излучением, некоторая доля которого поглощается излучающим газом. Поэтому количество тепла, излучаемого газом, определяют по приближенному уравнению где — поглощательная способность газа при температуре твердой поверхности (стенки), причем при той же температуре; = 0,5 (+1) — эффективная степень черноты стенки, учитывающая частичное поглощение лучей газом, — степень черноты стенки; TСТ — температура стенки, °К. Формула (26) получена для случая, когда длина пути всех лучей до поглощающего энергию элемента стенки одинакова. В других случаях в. расчет следует вводить эквивалентную толщину слоя, равную учетверенному объему слоя 4 V, деленному на поверхность F стенки . При переменной температуре газа учитывается его среднегеометрическая температура , °К, где и — начальная и конечная температуры газа. Приведенные выше зависимости относятся к чистым газам. Промышленные газы часто бывают загрязнены пылью, частицами сажи и механических примесей. Эти частицы обладают значительной поверхностью и собственным спектром излучения, что приводит к весьма; существенному возрастанию количества тепла, передаваемого газом путем излучения. Методика расчета теплоизлучения запыленных газов изложена в специальной литературе . Лекция № 28.

Похожие:

	Тематическое планирование по физике 8 класс Особенности различных способов теплопередачи. Примеры теплопередачи в природе и технике		Рефератов. Физика 8 класс № Тема Фамилия Имя Виды теплопередачи. Теплопроводность. Конвекция. Излучение. Примеры теплопередачи в природе и технике
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Особенности различных способов теплопередачи. Примеры теплопередачи в природе и технике		Общие сведения ”. Основные вопросы: Назначение, запуск, интерфейс модуля “ Модуль “Общие сведения” содержит базовую информацию об образовательном учреждении, обеспечивая основу для создания адресных отчетов,...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... ...		Реферат на тему «Виды теплопередачи» Теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твёрдую стенку или через поверхность раздела между ними называется теплопроводностью....
	Общеобразовательная программа «от рождения до школы» муниципального... Общие сведения об учреждении, контингент детей, воспитывающихся в доу. Комплектование групп, режим работы детского сада. Сведения...		Отчет о результатах самообследования деятельности образовательного... Общие сведения о доу. Цели и задачи деятельности мадоу «Детский сад №104»
	Отчет о результатах самообследования деятельности образовательного... Общие сведения о доу. Цели и задачи деятельности мадоу «Детский сад №104»		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Общие сведения об учреждении, контингент детей, воспитывающихся в доу. Комплектование групп, режим работы детского сада. Сведения...
	Публичный отчет директора за 2012-2013 уч. Год москва, 2013 г. Общие... Общие сведения о гбоу кадетской школе-интернате №7 «Московский казачий кадетский корпус» им. М. А. Шолохова		Программы вид работы (краткая инструкция) форма и метод контроля... Общие сведения об электрической связи: история развития связи; Понятие информация и звук; Системы передачи информации: передача информации...
	Общие сведения по основной профессиональной образовательной программе... Общие сведения по основной профессиональной образовательной программе и структуре подготовки обучающихся и выпускников		Общие сведения по основной профессиональной образовательной программе... Общие сведения по основной профессиональной образовательной программе и структуре подготовки обучающихся и выпускников
	Общие сведения по основной профессиональной образовательной программе... Общие сведения по основной профессиональной образовательной программе и структуре подготовки обучающихся и выпускников		Общие сведения об образовательном учреждении 3