Г.А. Околович - Учебное пособие - Нагрев и нагревательные устройства (1254309), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Притурбулентном движении происходит перемешивание движущихсячастиц, образование вихрей и их скорость не подчиняетсяпараболическому распределению.38Характер движущегося потока (его ламинарность или турбулентность) определяется численным значением критерия РейнольдсаRe=W*L/V,(3.13)где W - скорость частиц, L - характерный размер канала, V кинематический коэффициент вязкости.При ламинарном движении естественная конвекция внормальном к стенке направлении незначительна и теплота передается в основном теплопроводностью. При турбулентном движенииперенос тепла осуществляется перпендикулярным к поверхностиканала перемещением частиц.
Количество тепла, передаваемоеконвекцией, определяется формулойQк = αк (t1 - t2) Fτ,(3.14)где αк - коэффициент теплопередачи конвекцией, зависящий отвида теплоносителя, формы воспринимающего тела, турбулентностипотока и пр.Определяется αк экспериментально. Теплопередача конвекциейимеет решающую роль при температурах от 600 до 700 и скоростипотока более 5 м/с, т.е.
в термических печах. В кузнечных печах еезначение второстепенно.3.3 Передача теплоты излучениемПередача теплоты излучением происходит путем превращениятепловой энергии в энергию электромагнитного излучения, котороераспространяется в пространстве со скоростью света. Количествоэнергии излучения зависит от физических свойств и температурыизлучающего тела. В зависимости от длины волны колебанийэлектромагнитные поля подразделяются на радиоволны (α> 400 мкм),тепловые инфракрасные лучи (α = 400 ...0,8 мкм), видимые световыелучи (α = 0,4...0,02 мкм), лучи Рентгена (α = 0,02...0,001 мкм), гаммалучи и космическое излучение (α = 0,01...0,00001 мкм). В зависимостиот длины волны лучи обладают различными свойствами. Из всех лучейинтерес для теплопередачи представляют тепловые лучи с α = 0,8...40мкм.Количество теплоты, излучаемого поверхностью S в единицувремени, называется лучистым тепловым потоком Qл (Вт).Величина лучистого теплового потока, отнесенная к единицеповерхности, называется плотностью лучистого потока Е, илилучеиспускательной способностью:Е = Q/S (Вт)(3.15)39Если на тело падает лучистый поток Qл, то часть его QАпоглощается телом, часть QR – отражается и часть QD – пропускается(рисунок 23)Рисунок 23 - Схема распределениявзаимодействии его с твердым теломлучистогопотокаприПоглощенные лучи вновь превращаются в тепловую энергию.Такое превращение энергии происходит в системах и в том случае,когда тела имеют разную температуру, и когда температура одинакова.
В последнем случае количество излучаемой и поглощаемойэнергии одинаково, т.е. система находится в тепловом равновесии. Всоответствии с законами сохранения энергии имеем:QЛ = QА + QR + QD(3.16)или QА/QЛ + QR/QЛ + QD/QЛ = 1 или А + R + Д = 1,где А = QА/QЛ - коэффициент поглощения или поглощательнаяспособность;R = QR/QЛ - коэффициент отражения или отражательная способность;Д = QД/QЛ - коэффициент пропускания или пропускательнаяспособность.Газообразные тела практически не отражают тепловые лучи. Дляних R = 0 и А + Д = 1.Твердые тела практически не пропускают лучей.
Для них Д = 0 иА + R = 1.Для абсолютно черного тела А = 1.Соотношения между характеристиками лучистого теплообменаопределяются законами теплового излучения.40Закон Кирхгоффа устанавливает, что отношение лучеиспускательной энергии тела к его поглощательной способности есть величина постоянная для всех тел, имеющих одинаковую температуру, иравная излучательной способности абсолютно черного тела Е0.Е1/А1 = Е2/А2 = ...
= Е0/А0 = Е0 .(3.17)Из закона Кирхгофа следует, что чем выше излучательнаяспособность тела, тем больше его поглощательная способность.Закон Стефана-Больцмана. Согласно этому закону лучеиспускательная способность абсолютно черного тела прямо пропорциональна температуре в четвертой степени:Е0 = С0(Т/100)4 ,(3.18)где С0 - константа абсолютно черного тела; Т - абсолютнаятемпература.Закон Стефана-Больцмана является теоретической основойрасчета лучистого теплообмена в печах, а также радиационнойпирометрии.Твердые тела, встречающиеся в печах, относятся к серым телам.Для них закон Стефана-Больцмана выражается:Е = С (Т/100)4,(3.19)где С - константа серого тела.Пользуясь законами Кирхгофа, можно записать:- для черного тела;Е1/А1 = Е2/А2 = Е0 = С0(Т/100)4,(3.20)- для серого тела.Е1 = А1С1(Т/100)4,(3.21)илиС1 = А1С0, С1 < С0,→Е1 < Е0..(3.22)Отношение излучательной способности данного тела к излучательной способности абсолютно черного тела называется степеньючерноты:ε = Е1/Е0(3.23)Al = 0,05; Сажа = 0,95; Сталь = 0,8; Окалина = 0,9;Кирпич огнеупорный = 0,8; Кирпич красный = 0,9.Подставляя значения Е1 и Е0:ε = (С1(Т/100)4)/(С0(Т/100)4) = С1/С0,→С1 = eС0, (3.24)Следовательно, закон Стефана-Больцмана для серого тела можнозаписать:Е = ε С0(Т/100)4,(3.25)или С1 = А1С0, то ε = А - степень черноты численно равнаизлучательной способности.41Количество тепла, воспринимаемое менее нагретым телом отболее нагретого тела зависит от температуры, формы и размеров телаи взаимного расположения и степени черноты.1 Теплообмен между двумя параллельно расположеннымителами (рисунок 24).Рисунок 24 – Теплообмен между двумя параллельно расположеннымителамиQ1-2 = ε nε 0 [(Т1/100)4 - (Т2/100)4],(3.26)где ε n = 1/(1/ε 1 + 1/ε 2 - 1) - приведенная степень черноты.2 Количество тепла, передаваемое от одного тела другому, приусловии, что второе тело окружает первое (рисунок 25).Рисунок 25 – Теплообмен, когда одно тело окружает другоеQ1-2 = εnС0F1 [(Т1/100)4 - (Т2/100)4],εn=1/(1/ε1+F1/F2(1/ε2-1)).3Теплообменмеждуповерхностями (рисунок 26).произвольно42(3.27)расположеннымиРисунок 26 - Теплообмен между произвольно расположеннымиповерхностямиQ1-2 = εnС0Fp [(Т1/100)4 - (Т2/100)4] ϕ1-2, (3.28)где εn = ε1*ε2 = 1/(1/ε1 + 1/ε2 - 1); ϕ1-2 - средний угловойкоэффициент, который отображает долю излучения поверхности F1 внаправлении поверхности F2; Fp – условная расчетная поверхностьтеплообмена.4 Для уменьшения лучистой энергии, подаваемой с первого телана второе, устанавливаются экраны в виде нескольких параллельнорасположенных плоскостей (металлических листов либо другихматериалов), см.
рисунок 27.Рисунок 27 - Расчетная схема излучения между параллельным и стенками при наличии экранаПри наличии экранов количество тепла, передаваемого с одноготела на другое, выражается:43Q1-пэ-2 = 1/(n + 1) εnС0[(Т1/100)4 - (Т2/100)4],(3.29)Q1-2 = enС0[(Т1/100)4 - (Т2/100)4]F1* Ф,(3.30)где n - количество экранов;en - приведенная степень черноты.5 Теплообмен между тремя телами, из которых одно являетсяидеальной обмуровкой.Количество тепла, переданное с первого тела на второе выражается:где F1 - площадь первой излучающей поверхности;Ф = а(ϕ) - коэффициент диафрагмирования, которыйучитывает наличие идеальной обмуровки.Формула (3.30) широко используется для определения потерьтепла излучением через открытые окна в окружающую атмосферу.Тепловой поток, теряемый излучением в цех через открытыеокна, щели и другие отверстия в кладки печи выражается формулой.Q = 5,7(Тп/100)4*F* Ф (Вт),(3.31)5,7 - коэффициент излучение абсолютно черного тела,Тп - температура печи,F - площадь открытого окна или отверстия, м2;Ф - коэффициент диафрагмирования, определяемый формой иразмерами отверстия и толщиной кладки печи.Если окно или отверстие в кладке закрыто тонкой железнойзаслонкой, то тепловой потокгдеQ = 4,65(Тп/100)4*F* Ф/(1 + Ф) (Вт)(3.32)где 4,65 - коэффициент излучения стали.Пример: Размеры окна печи Н*В = 0,4*0,8 м; толщина стенкипечи 0,38 м.
Температура в печи 11270C. Определить тепловой поток,теряемый излучением через окно.Отношение высоты окна к толщине стенки Н/S=0.4/0/38=1/05.Отношение высоты окна к его ширине равно 0.5. коэффициентдиафрагмирования Ф=0.605 (см. рисунок 28)Q = 5,7 ((1127 + 273)/100)4*0,32*0,605 = 42,4 кВт.44Рисунок28Графикдляопределениякоэффициентадиафрагмирования Ф, Форма отверстия: 1- втянутый прямоугольник;2-прямоуголь-ник с отношением сторон 1:2; 3 квадрат: 4- круг(приH/s>1 масштаб изменяется)Излучение газовГаз, как и твердые тела, излучает лучистую энергию. Наибольшее количество лучистой энергии излучают трехатомные газы. Изних для работы печей имеют большее значение СО2 и Н2О (пары).Двухатомные газы типа Н2, N2, О2, СО и другие излучаютничтожно малое количество лучистой энергии и практически врасчеты не принимаются.Излучение газов подчиняются закону Стефана-Больцмана:Е2 = e2С0(Т2/100)4,(3.33)`где ε2 = F(t ; Р/Р0; Sэф);t0C` - температура газа;Р - порциональное давление данного газа в общем количествегаза, численно равное составу данного газа;Р0 - давление газа;Sэф = ε2(4V2)/(Fк + Fм),(3.34)Sэф - средняя эффективная толщина газового слоя;45V2 - объем газового слоя, который определяется как объем рабочего пространства за вычетом объема металла;Fк - площадь поверхности кладки, не занятая металлом;Fм - площадь поверхности пода, занятая металлом;ε2 ≅ 0,9 - коэффициент эффективности газового излучения,который характеризует ту долю излучаемой энергии, которая доходитдо металла;Р - давление газа в рабочем пространстве.Учитывая, что хорошо работающая печь на поду имеет давление, равное атмосферному, то можно принять, что Р = 1.
Тогдастепень черноты газа выражается так:ε2 = F(t0; Р; Sэф).(3.35)С другой стороны:ε2 = εco + βεн(3.36)где εco2 - степень черноты углекислого газа; εно - степень чернотыводяных паров.Величина β определяется по номограмме: εco2 и εн2о такжеопределяются по номограммам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
